Evolutionäre Algorithmen übertragen den natürlich-biologischen Evolutionsprozess auf die Lösung mathematischer, techn(olog)ischer oder ökonomischer Optimierungsprobleme aus Forschung, Industrie und Wirtschaft. Die als Vorbild dienenden Prinzipien und Mechanismen werden jedoch nicht direkt kopiert, sondern lediglich ihre Wirkungen abstrakt imitiert sowie algorithmisch implementiert, um dann für die jeweilige Aufgabenstellung immer bessere Individuen mittels Computer im Zeitraffer heranzuzüchten und schließlich (fast-)optimale Lösungspunkte aufzufinden. Dabei bedarf es keiner expliziten Richtungsinformation oder sonstiger Wegweiser, um die Züchtung bzw. Suche zielgerichtet zu dirigieren und dann erfolgreich zu konvergieren. Sukzessive orientieren sich Evolutionäre Algorithmen allein anhand von Lösungspunkt-Zielfunktionswert-Paaren, also am Erfolg oder Misserfolg bereits durchgeführter Suchschritte. Aufgrund dieser konzeptuellen Anspruchslosigkeit haben sie dem Selektionsdruck der Praxis standgehalten, viele Anwendungsgebiete erobert und sich als universell einsetzbare Lösungsverfahren / Optimierungswerkzeuge etabliert. Das für diese Dissertation entwickelte und hier eingehend dokumentierte Chemnitzer hybrid-evolutionäre Optimierungssystem CHEOPS ist konzipiert als leistungsstarker, universeller, anpassungsfähiger und erweiterbarer Evolutionärer Algorithmus zur statischen Parameteroptimierung deterministischer Probleme. Als numerischer Benchmark zur empirischen Beurteilung von Erfolgswahrscheinlichkeit und Fortschrittsgeschwindigkeit ist außerdem eine ausgewogene Schar schwierig zu optimierender mathematischer Testfunktionen zusammengestellt. Dabei sind sie bewusst so konstruiert, dass sie derartige charakteristische Merkmale besitzen, die auch bei praxisrelevanten Optimierungsproblemen oft vorliegen oder zu erwarten sind. Verschiedene topologische Funktionseigenschaften haben tatsächliche oder auch nur vermeintliche Schwierigkeiten bei der Optimierung besonders verdeutlicht. CHEOPS beinhaltet eine Vielzahl an Werkzeugen und Funktion(alität)en, wird aber weiterentwickelt hinsichtlich mehrkriterieller Optimierung sowie hybrider Optimierung als Themengebiete für zukünftige Herausforderungen.

Die Arbeit beinhaltet die umfassende Charakterisierung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von entkohlend geglühtem Temperguß, der in unterschiedlichen Qualitäten von drei Gießereien bereitgestellt wurde. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung des entkohlend geglühten Tempergusses in vorliegende Ergebnisse anderer Gußeisenwerkstoffe und sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen. Der Vorteil bruchmechanischer Kennwerte als Voraussetzung für eine beanspruchungsgerechte Bruchsicherheitsbeurteilung von Gußteilen unter Einbeziehung von gießtechnischen Imperfektionen wurde am Beispiel einer bruchmechanischen Bewertung der Verbundschweißung Temperguß - Stahl demonstriert.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die umfassende Bewertung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von schwarzem Temperguss, der in den Qualitäten GTS-35-10, GTS-45-06 und GTS-65-02 vorlag und somit eine gezielte Bewertung des Einflusses ferritischer, ferritisch-perlitischer und perlitischer Grundgefüge erlaubte. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung von Gusseisenwerkstoffen mit globularer und vermicularer Graphitausbildung und ermöglichen die Bewertung des Einflusses der Graphitausbildung auf den Risseinleitungs- und Rissausbreitungswiderstand. Die vorliegenden Ergebnisse sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Problem der nichtperturbativen Renormierung des Axialstroms eines leichten und eines Bottom-Quarks. Solche nichtperturbativen Berechnungen koennen nur in der Gitter-QCD durchgefuehrt werden, d. h. die kontinuierliche Raumzeit wird durch ein vierdimensionales hyperkubisches Gitter ersetzt. Da einerseits die Kantenlaenge des Gitters groesser sein muss als typische physikalische Laengenskalen des Problems, andererseits aber der durch die Gitterkonstante eingefuehrte Energie-Cutoff groesser sein muss als die Masse des b-Quarks, sind fuer dieses Problem Gittergroessen erforderlich, fuer die die heutige Computerleistung nicht ausreicht. Es ist daher sinnvoll, das B-Meson in der statischen Naeherung zu untersuchen, um dann zwischen dieser Naeherung und leichten Quarkmassen interpolieren zu koennen. Die Renormierung des Axialstroms in der statischen Naeherung ist skalenabhaengig. Um zu vermeiden, Rechnungen ueber einen grossen Energiebereich hinweg auf einem einzigen Gitter durchfuehren zu muessen, wird als Renormierungsverfahren das SF-Schema vorgeschlagen, in dem die Renormierungsskala mit der inversen Kantenlaenge des Raumzeitvolumens identifiziert wird. Das zentrale Objekt dieses Schemas ist die Step-Scaling-Funktion, die die Renormierungskonstanten bei verschiedenen Skalen miteinander in Beziehung setzt. Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist die O(a)-Verbesserung, die die Diskretisierungsfehler reduziert. Nach einer Erklaerung dieses Verfahrens fuer Eichfelder und leichte Quarks wird die statische Approximation im Kontinuum und auf dem Gitter eingefuehrt, und die in der Gittertheorie erforderlichen O(a)-Verbesserungsterme werden diskutiert. Fuer die eigentliche Renormierung werden Schroedinger-Funktional- Randbedingungen analog zum Fall leichter Quarks auch fuer die statische Approximation eingefuehrt, und die durch diese Randbedingungen notwendige zusaetzliche O(a)-Verbesserung diskutiert. Anschliessend wird durch eine Renormierungsbedingung das SF-Schema fuer den statischen Axialstrom definiert. Im weiteren Verlauf der Arbeit steht die Entwicklung geigneter Korrelationsfunktionen in der Einschleifennaeherung im Mittelpunkt. In dieser Naeherung wird zunaechst der renormierte statische Axialstrom im Gitter-MS-Schema untersucht, und seine Beziehung zum Axialstrom zweier leichter Quarks in der Stromalgebra-Normierung berechnet. Hierbei wird Uebereinstimmung mit einem Ergebnis anderer Autoren aus einer anderen Methode festgestellt. Aus diesem Ergebnis wird die endliche Renormierung zwischen dem statischen Strom im Gitter-MS-Schema und dem statischen Strom im MS-bar-Schema bestimmt. Diese Renormierungskonstante wird dann benutzt, um den Umrechnungsfaktor vom SF-Schema in das MS-bar-Schema in der Einschleifennaeherung zu berechnen. Die Zweischleifennaeherung der anomalen Dimension des statischen Axialstroms im SF-Schema wird dann durch Umrechnung aus dem MS-bar-Schema bestimmt. Diese Groesse ist vor allem deshalb wichtig, weil sie benoetigt wird, um bei Energieskalen von 10-100 GeV aus nichtperturbativ gewonnenen Ergebnissen den renormierungsgruppeninvarianten statischen Axialstrom zu berechnen. Es zeigt sich, dass der Zweischleifenwert dieser anomalen Dimension klein ist. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand sind die Diskretisierungsfehler in der Step-Scaling-Funktion, die in der Einschleifennaeherung berechnet wurden. Sie stellen sich ebenfalls als klein heraus. Abschliessend wird der Einschleifen-Koeffizient des O(a)-Verbesserungsterms fuer den statischen Axialstrom berechnet. Hierbei ergibt sich Uebereinstimmung mit einem frueheren Ergebnis anderer Autoren. / The axial current of a light and a heavy quark is studied in the static approximation, with the aim of defining a non-perturbative renormalization scheme. To keep lattice artifacts small, O(a) improvement in the static approximation is discussed in detail. It is explained how a finite size scheme can be used to avoid the necessity of accommodating a large energy range on a single lattice in the determination of the scale dependence of the renormalized static-light axial current. To that end, Schroedinger functional boundary conditions are imposed on the static quark field, and a renormalization condition is formulated. As a central object of the SF scheme, the "step scaling function", connecting the renormalization constants at different scales, is introduced. A large part of this thesis is dedicated to the expansion of suitable correlation functions to one loop order of perturbation theory. Using these expansions, the finite renormalization constants connecting the static-light axial current in the lattice MS scheme and the light-light axial current normalized by current algebra relations is calculated at one loop order. From this result, the relation of the renormalized static-light axial current in the SF scheme to the MS-bar-renormalized static-light axial current is derived. Using that relation, the static-light axial current's two loop anomalous dimension in the SF scheme, which is needed for the calculation of the renormalization group invariant current, is calculated by conversion from the MS-bar scheme. Further studies made in this thesis are the determination of discretization errors in the step scaling function at one loop order, and the calculation of an improvement coefficient for the static-light axial current at one loop order of perturbation theory.

Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine umfassende Untersuchung der Entscheidbarkeit und Komplexität der Probleme, die sich durch eine statische Analyse von monadischem Datalog auf endlichen gefärbten Bäumen stellen. Statische Analyse bedeutet hierbei Anfrageoptimierung ohne Blick auf konkrete Instanzen, aber mit Rücksicht auf deren zugrunde liegende Struktur. Im Kern beinhaltet dies die Lösung der drei folgenden Probleme: das Leerheitsproblem (die Frage, ob eine Anfrage auf jeder Instanz ein leeres Ergebnis liefert), das Äquivalenzproblem (die Frage, ob zwei Anfragen auf jeder Instanz das gleiche Ergebnis liefern) und das Query-Containment-Problem (die Frage, ob das Ergebnis der einen Anfrage auf jeder Datenbank im Ergebnis der anderen Anfrage enthalten ist). Von Interesse ist dabei, ob die Fragen für eine gegebene Anfragesprache entscheidbar sind und wenn ja, welche Komplexität ihnen innewohnt. Wir betrachten diese Probleme für monadisches Datalog auf unterschiedlichen Repräsentationen für endliche gefärbte Bäume. Hierbei unterscheiden wir zwischen ungeordneten und geordneten Bäumen, welche die Achsen child bzw. firstchild und nextsibling und deren Erweiterung um die descendant-Achse nutzen. Außerdem unterscheiden wir Alphabete mit und ohne Rang. Monadisches Datalog ist eine Anfragesprache, die in Abhängigkeit vom gewählten Schema die Ausdrucksstärke der monadischen Logik zweiter Stufe (MSO) erreicht und dennoch effizient ausgewertet werden kann. Wir zeigen, dass unter in der Datenbanktheorie üblichen Mengensemantik die drei genannten Probleme für alle Schemata ohne descendant-Achse EXPTIME-vollständig sind und lösbar in 2EXPTIME, falls die descendant-Achse involviert ist. Eine passende untere Schranke wird für fast alle Schemata gezeigt. Unter Multimengensemantik lassen sich die obigen Ergebnisse für das Leerheitsproblem übertragen, während das Query-Containment-Problem für alle betrachteten Schemata unentscheidbar ist. / This thesis provides a comprehensive investigation into the decidability and complexity of the fundamental problems entailed by static analysis of monadic datalog on finite labeled trees. Static analysis is used for optimizing queries without considering concrete database instances but exploiting information about the represented structure. Static analysis relies on three basic decision problems. First, the emptiness problem, whose task is to decide whether a query returns the empty result on every database. Second, the equivalence problem asking if the result of two given queries always coincides on every database. And finally, the query containment problem where it is to decide whether on every database a given query produces a subset of the results of a second given query. We are interested in finding out whether these problems are decidable and, if so, what their complexity is. We consider the aforementioned problems for monadic datalog on different representations of finite labeled trees. We distinguish unordered and ordered trees which use the axis child, as well as the axes firstchild and nextsibling, respectively. An extension of the schemas by the descendant-axis is also considered. Furthermore, we distinguish ranked and unranked labeling alphabets. Depending on the schema, the query language monadic datalog can reach the expressive power of monadic second order logic but remains efficiently evaluable. Under set semantics, we show EXPTIME-completness for all used schemas where the descendant-axis is omitted. If the descendant-axis is involved, we present an algorithm that solves the problem within 2-fold exponential time. A matching lower bound is proven for virtually all schemas. Finally, we prove that the complexity of the emptiness problem of monadic datalog on finite trees under bag semantics is the same as under set semantics. Furthermore, we show that the query containment problem of monadic datalog under bag semantics is undecidable in general.

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Of key importance for metamodelling are appropriate modelling formalisms. Most metamodelling languages permit the development of metamodels that specify tree-structured models enriched with semantics like constraints, references and operations, which extend the models to graphs. However, often the semantics of these semantic constructs is not part of the metamodel, i.e., it is unspeci ed. Therefore, we propose to reuse well-known compiler construction techniques to specify metamodel semantics. To be more precise, we present the application of reference attribute grammars (RAGs) for metamodel semantics and analyse commonalities and differences. Our focus is to pave the way for such a combination, by exemplifying why and how the metamodelling and attribute grammar (AG) world can be combined and by investigating a concrete example - the combination of the Eclipse Modelling Framework (EMF) and JastAdd, an AG evaluator generator.

Durch die Einführung der Systemarchitektur AUTOSAR im automobilen Umfeld, können Applikationen unabhängig von der verwendeten Hardware oder der genutzten Kommunikationssysteme entwickelt werden. Dadurch können Funktionen wieder verwendet werden, was Zeit und Ressourcen einsparen kann. So können Funktionen, die sich etabliert haben, in späteren Entwicklungen durch Anpassung in der Konfiguration genutzt werden ohne dabei den Quellcode zu ändern. Jedoch stellt die große Zahl an Parametern in der AUTOSAR Architektur große Herausforderungen an die Absicherung eines Steuergerätes. Dieser Aspekt wird durch eine meist heterogene Toollandschaft verstärkt. Umso wichtiger ist es, dass während der Entwicklung von AUTOSAR Steuergeräten statische Analysen die Software und die Konfiguration überprüfen, um so die Softwarequalität sicherstellen zu können. In der Masterarbeit werden eine Menge von AUTOSAR spezifischen statischen Analysen für die einzelnen Schichten eines AUTOSAR Steuergerätes entwickelt. Für die Analyse werden Einstellungsdateien (nach Standard und Firmenspezifische) und der Quellcode an sich genutzt. Die Analysen geben optional Korrekturvorschläge an den Entwickler. Die Umsetzung erfolgt in einem C# Prototyp und wird an der Lichtsteuerung des Automotive Demonstrator YellowCar angewendet werden.

The thesis deals with quasi-static and fatigue simulations of thick composite lugs subjected to three-dimensional stress states. This includes damage prediction of hybrid laminates made of GRFP and CRFP containing unidirectional and woven fabric plies.Focus lies on the development of a progressive damage model in fatigue which accounts for sti˙ness and strength degra-dations. Two methods based on Puck’s failure criterion are proposed to predict failure of unidirectional plies: one for plane stress analysis and and the other which takes out-of-plane damage into account.Virtual testing in FEM is conducted in quasi-static and fatigue analysis on thick composite lugs subjected to uni-axial loading. Damage, strength and life predictions are then compared with experimental results to validate the numerical models under investigations. / In der vorliegenden Arbeit wird die Berechnung der Festig-keit von dickwandigen Lochleibungslaminaten im Faserver-bundwerksto˙en unter dreidimensionalen Spannungszustän-den untersucht. Nichtlineare Materialverhalten von Hybrid-laminaten in CFK und GFK werden für Unidirektionalfa-serlagen und Gewebelagen berücksichtigt.Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von progressi-ven Versagensmodellen unter der Berüsichtigung von Rest-festigkeit und Reststeifigkeit des Materials. Zwei Modelli-erungsmethoden nach Puck-Kriterium zur Vorhersage des Versagens in UD-Lagen werden vorgeschlagen: eine Degra-dierungstechnik für ebene Spannungszustände und ein me-hrachsiges Modell.Numerische Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode werden in Statik- und Ermüdungsanalyse an dickwandigen Lochleibungslaminaten unter einachsiger Belastung durch-geführt. Beschädigungen, Festigkeiten und Ermüdungsle-bensdauer werden dann mit experimentiellen Daten ver-glichen, um die numerischen Methoden zu validieren.

Nowadays, construction industry is rapidly moving towards digitalization and automation that should enable increased rates and efficiency of construction processes, as well as higher possibilities for customization and architectural freedom. Among all technologies under development, digital fabrication with concrete by means of layered extrusion appears to be one of the most promising for purposes of fast mass housing construction. It enables formwork-free production of structures via layer-by-layer concrete printing. Freedom from formwork potentially makes the construction process more cost- and time-saving, but poses multiple challenges to mix design and test methods, especially in terms of concrete rheology. A special focus must be put on the structural build-up of concrete at rest, which is related to its buildability, i.e. capacity of the material to retain the shape of the extruded layers under their own weight and the weight of the subsequently placed layers. This research investigates into the structural build-up of cementitious materials, i.e. evolution of their strength and deformation properties over time at rest, and includes development and refinement of methodology to assess the structural build-up, as well as its modelling and prediction. With respect to methodology, major attention was directed to the constant rotational velocity (CRV) test used for evaluation of the static yield stress development, and rationalization of its application under field conditions. Based on a large amount of experiments performed with two rheometers of different design, characteristic curves and points describing patterns in behaviour of cementitious materials during a CRV test were established. The experimental study also dealt with assessing the effects of alterations in main elements of the CRV test protocol, such as test approach (single- versus multi-batch), pre-shear regime, applied CRV, on the test results. Possible errors in CRV tests were addressed and methods to improve the procedures of testing and data evaluation were suggested. In particular, the single-batch approach was enhanced by implementation of the developed breaking criterion, a concept of zero measurement for non-pre-sheared samples was introduced, and a method for simplified evaluation of elasticity by a single-head rheometer was proposed. General methodological recommendations on the design of a CRV test protocol were formulated. The results are applicable for various cementitious materials and not limited to concretes for layered extrusion. Furthermore, test methods for assessing the structural build-up of printable concretes were studied in terms of their applicability under field conditions, potential for automation, descriptiveness of obtained data and efficiency in predicting the buildability of printed concrete structures. The methods under investigation included CRV test, unconfined uniaxial compression test (UUCT), fast penetration test and newly proposed confined uniaxial compression test (CUCT); all tests were performed on extruded samples of eight printable concrete mixtures with various compositions and rheological properties. The corresponding results were juxtaposed in order to establish correlations between the data and compared to the results of buildability tests, in which hollow cylindrical structures were produced using a laboratory-scale 3D printer. The developed methodology was further used to conduct an in-depth investigation into the influence of aggregates on the structural build-up of ordinary concrete. In the experimental program, the binder composition was kept constant while the aggregate was varied in terms of the volume fraction and the surface area (per unit volume of concrete); the main focus was put on compositions with elevated aggregate content (45−55 % by volume). A mechanism lying behind the effects of the aggregate properties on the structural build-up of concrete was discovered by studying the structure of constitutive paste in concrete. Aggregate-induced inhomogeneity of constitutive paste allowed to introduce a three-component model of fresh concrete. Furthermore, to find models capable of predicting the parameters of structural build-up of concrete, i.e. static yield stress and structuration rate, concrete was viewed as a suspension of aggregate particles in suspending medium. Three approaches were employed to define the correspondent components. Suspending medium was represented by plain cement paste, screened cement paste and fine mortar considered as a part of concrete comprising particles below 0.5 mm; a substantiation for such a definition was provided. Applicability and limitations of the models based on all three approaches were compared. The modelling approach was further extended to printable concretes with nearly identical aggregate compositions, but different properties of paste. Opportunities and challenges in modelling the structural build-up of printable concrete, including the problem of material dependency of the models and the relevancy of fitting coefficients, were discussed. A modified Chateau-Ovarlez-Trung model based on the definition of suspending medium as fine mortar was acknowledged as best suited to describe the structural build-up of both ordinary and printable concrete.