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Für den sicheren Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind Sensoren wichtig, welche die Wasserstoffkonzentration im Fahrzeuginterieur kontinuierlich überwachen, um möglichen Entzündungen bzw. Explosionen vorzubeugen. Dafür wurden von verschiedenen nationalen und internationalen Instanzen bestimmte Kriterien definiert, die Wasserstoffsensoren für einen Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen erfüllen müssen. Im Jahr 2020gab es noch keinen einzigen kommerziell erhältlichen Sensor, der alle diese Kriterien bedienen konnte.
In der vorliegenden Arbeit wurde für zwei verschiedene Sensoren die Eignung des thermischen Wirkprinzips für die Detektion von Wasserstoff im Kontext dieser Sicherheitskriterien untersucht. Dabei wurden mit einem MEMS-Sensor und einem Mikrodrahtsensor zwei vergleichsweise einfache Geometrien herangezogen, welche den eindimensionalen und zylindersymmetrischen Fall abbilden sollen. Für zwei dynamische Operationsmodi (gepulste Ströme und 3ω-Methode) wurden darauf aufbauend analytische Modelle basierend auf vereinfachten Sensorgeometrien entwickelt, um die Temperaturentwicklung des
Sensorelements in Abhängigkeit der Zeit zu charakterisieren. Diese Studien wurden anschließend anhand von detaillierteren Modellen mithilfe von FEM-Simulationen ergänzt und spezifiziert. Darin konnte gezeigt werden, dass für den gepulsten Betrieb sowohl die Pulshöhe als auch die Zeitkonstante des gemessenen Widerstands- bzw. Temperaturpulses als Messgröße herangezogen werden kann. Beim 3ω-Betrieb konnte zudem eine starke Frequenzabhängigkeit dieser Widerstands- bzw. Temperaturcharakteristik beobachtet werden. Die analytischen und numerischen Studien wurden anschließend durch experimentelle Ergebnisse bestätigt. Im Hinblick auf die zuvor definierten Kriterien stellte sich heraus, dass die Auswertung der Zeitkonstante beim gepulsten Betrieb im Hinblick auf Sensitivität und Auflösungsgrenze der Auswertung der Pulshöhe deutlich unterlegen ist. Beim 3ω-Betrieb können durch die hochintegrierte Messumgebung deutlich höhere Genauigkeiten und Auflösungsgrenzen erzielt werden. Für den MEMS-Sensor wurde bei einer Anregungsfrequenz von 1 Hz mit 55 ppm die bislang geringste in der Literatur berichtete Auflösungsgrenze für einen thermischen Wasserstoffsensor erreicht. Der Leistungsverbrauch ist dabei im Vergleich zum Pulsbetrieb entsprechend des jeweiligen Tastgrads leicht bis mäßig erhöht, die Ansprechzeit wird bei beiden Operationsmodi maßgeblich durch die Sensorgeometrie beeinflusst. Die geometrischen Parameter der jeweiligen Sensoren haben ferner einen starken Einfluss auf die Sensitivität, womit die Divergenz in der
Performance von MEMS-Chip und Drahtsensor erklärt werden kann. Es besteht ferner eine starke Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängigkeit des Sensorsignals, welches bei beiden Operationsmodi indirekt proportional zur Wärmeleitfähigkeit des betrachteten Gasgemischs ist. Die Abhängigkeit vom definierten Umgebungsdruck ist lediglich für die
Zeitkonstante relevant, bei der Pulshöhe besteht keine Druckabhängigkeit. Es konnte eine grundsätzliche Eignung des thermischen Messprinzips für den Einsatz eines Wasserstoffsensors im Automobilbereich festgestellt werden. Für eine Anwendung müssen allerdings Referenzsensoren für Temperatur, Feuchtigkeit und Druck implementiert werden und eine Kalibrierung in Abhängigkeit dieser Größen erfolgen. Der 3ωBetrieb ist aufgrund der höheren Genauigkeit zu bevorzugen. Während der MEMSSensor im Hinblick auf Sensitivität, Ansprechzeit und Leistungsaufnahme gut abschneidet, liegen die Vorteile des Mikrodrahtsensors in seiner Robustheit und der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit
Computer-based automation in industrial appliances led to a growing number of logically dependent, but physically separated embedded control units per appliance. Many of those components are safety-critical systems, and require adherence to safety standards, which is inconsonant with the relentless demand for features in those appliances. Features lead to a growing amount of control units per appliance, and to a increasing complexity of the overall software stack, being unfavourable for safety certifications. Modern CPUs provide means to revise traditional separation of concerns design primitives: the consolidation of systems, which yields new engineering challenges that concern the entire software and system stack.
Multi-core CPUs favour economic consolidation of formerly separated systems with one efficient single hardware unit. Nonetheless, the system architecture must provide means to guarantee the freedom from interference between domains of different criticality. System consolidation demands for architectural and engineering strategies to fulfil requirements (e.g., real-time or certifiability criteria) in safety-critical environments.
In parallel, there is an ongoing trend to substitute ordinary proprietary base platform software components by mature OSS variants for economic and engineering reasons. There are fundamental differences of processual properties in development processes of OSS and proprietary software. OSS in safety-critical systems requires development process assessment techniques to build an evidence-based fundament for certification efforts that is based upon empirical software engineering methods.
In this thesis, I will approach from both sides: the software and system engineering perspective. In the first part of this thesis, I focus on the assessment of OSS components: I develop software engineering techniques that allow to quantify characteristics of distributed OSS development processes. I show that ex-post analyses of software development processes can be used to serve as a foundation for certification efforts, as it is required for safety-critical systems.
In the second part of this thesis, I present a system architecture based on OSS components that allows for consolidation of mixed-criticality systems on a single platform. Therefore, I exploit virtualisation extensions of modern CPUs to strictly isolate domains of different criticality. The proposed architecture shall eradicate any remaining hypervisor activity in order to preserve realtime capabilities of the hardware by design, while guaranteeing strict isolation across domains.
Im Rahmen dieser Arbeit werden experimentelle und numerische Parameterstudien von einzelnen Wirbelgeneratorpaaren und komplexeren Wirbelgeneratoranordnungen bezüglich ihres Einflusses auf eine starke Stoß-/Grenzschicht-Wechselwirkung vorgestellt. Dabei werden die Einflüsse von Wirbeln, insbesondere die Auswirkungen ihrer Wechselwirkungen untereinander, auf das Grenzschichtverhalten, die Stoßcharakteristik und insgesamt auf die aerodynamische Leistung des betrachteten Profils diskutiert. Dazu wurden sowohl Windkanalversuche am einfachen Modell einer ebenen Platte mit aufgeprägtem Druckgradienten sowie an einem Modell eines superkritischen transsonischen Profils durchgeführt. Ergänzend wurden komplexe nume-rische Parameteruntersuchungen an einem Profil in freier Anströmung ausgeführt. Es ist das Ziel, ein besse-res Verständnis der Mechanismen der Wirbelgenerator-/Stoß-/Grenzschicht-Wechselwirkung zu gewinnen, um durch optimierte Anwendung von Wirbelgeneratoren eine Verbesserung der Flugleistungen erzielen zu können. Die Schwerpunkte liegen dabei auf der Reduktion des Widerstandes, der Vermeidung bzw. Verzöge-rung von Strömungsablösung und Stoßschwingung sowie auf der Erhöhung des Auftriebs.
This thesis is devoted to the problem of tomographic reconstruction at limited angular range. In the first part, we prove a characterization of filtered backprojection reconstructions from limited angle data. Moreover, we develop a strategy for artifact reduction and stabilization. In the second part, we introduce a new edge-preserving reconstruction algorithm for limited angle tomography and analyze this algorithm mathematically. Some numerical experiments are also presented.
Zur Untersuchung und Prognose des Tragverhaltens von Pfählen und pfahlartigen Traggliedern wurden auf einem geotechnisch umfangreich erkundeten Testfeld dynamische und statische Pfahlprobebelastungen durchgeführt und anschließend wissenschaftlich ausgewertet. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen im Maßstab 1:1 lieferten neue Erkenntnisse über die Tragmechanismen der Pfähle und pfahlartigen Traggliedern und über Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen der dynamischen und statischen Probebelastungen.
Darüber hinaus bildeten die Erkenntnisse und Messergebnisse aus den verschiedenen Probebelastungen die Grundlage für die Entwicklung innovativer numerischer Simulationsmodelle zur Prognose des Tragverhaltens der Tragglieder. Um die genannten Effekte im Tragverhalten der Pfähle und pfahlartigen Tragglieder genauer zu untersuchen, wurde faseroptische Sensortechnik eingesetzt. Mit den Messergebnissen des Wellenausbreitungsverhaltens und deren Auswertung im Zeit- und Frequenzbereich konnte ein Zusammenhang zwischen Mantelreibung und Ausbreitungsgeschwindigkeit der eingeleiteten Welle in den Pfählen durch einen Vergleich mit den ermittelten Mantelreibungskurven aus quasi-kontinuierlicher Messung qualitativ nachgewiesen werden.
Ergänzend zu den Belastungsversuchen wurden numerische Simulationsmodelle erstellt, um das Pfahl-Boden-Interaktionsverhalten unter dynamischer und statischer Belastung darzustellen und vorherzusagen. Die entwickelten Verfahren zur Prognose des Tragverhaltens von Pfählen und pfahlartigen Traggliedern können fallspezifisch eingesetzt werden, um eine Optimierung des Planungsprozesses der Tragglieder zu erreichen. Zur Ermittlung des Tragverhaltens der Pfählen ist es nicht erforderlich, ein umfangreiches Versuchsprogramm mit statischen oder dynamischen Lastversuchen durchzuführen, wie es üblicherweise der Fall ist. Anhand von Lastversuchen an ausgewählten und sorgfältig instrumentierten Traggliedern können die erforderlichen Referenzdaten ermittelt werden, um mit den vorgestellten Simulationsverfahren und Simulationsmethodiken das Tragverhalten bzw. die mobilisierten Widerstände im Pfahl-Boden-Interaktionsverhalten vorherzusagen. Die Ergebnisse der Arbeit haben gezeigt, dass für CFA-Pfähle Messdaten zum axialen Wellenausbreitungsverhalten in den Pfählen und konventionelle Messungen der Schwinggeschwindigkeit an den Pfahlköpfen ausreichen, um das Tragverhalten in guter Korrelation zu den Messungen aus statischen Lastversuchen darzustellen.
In Industriebereichen, in welchen Masse aufgrund von Trägheit oder Gravitationsüberwindung einen beeinflussenden Faktor ausmacht, wie beispielsweise der Luft- und Raumfahrt oder der Windkraft, spielen faserverstärkte Kunststoffstrukturen aufgrund ihres Leichtbaupotentials hinsichtlich der dichtespezifischen Steifigkeit und Festigkeit eine große Rolle. Außen liegende Bauteile in Form dünnwandiger Flächentragwerke in diesen Anwendungen weisen zumeist nicht eine kreisrunde, sondern unstetige Bauteilkrümmung auf und sind aufgrund ihres Einsatzortes durch Schlagbelastungen (Impacts) in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen gefährdet. Besonders im Niedergeschwindigkeitsbereich sind diese Impacts bei diesen meist gekrümmten Strukturen als kritisch zu beurteilen, da sie von außen oftmals nicht sichtbar sind, sich aber stark auf die verbleibende Restfestigkeit, insbesondere die Druck- und Schwingfestigkeit, aufgrund inter- und intralaminarer Schädigungen auswirken. Sie stellen demnach eine kritisch zu betrachtende Belastungsart dar.
In der vorliegenden Arbeit werden oben benannte unstetig gekrümmte Flächentragwerke auf eine unstetig elliptisch gekrümmte Prüfkörpergeometrie in Anlehnung an den Querschnitt einer Flügelvorderkante abstrahiert. Mittels experimenteller, numerischer und analytischer Untersuchungen wird ein grundlegendes Verständnis des Krümmungseinflusses auf das Schädigungs- und Verformungsverhalten ebendieser Strukturen bei Impact-Belastung und quasi-statischer Druckbelastung erarbeitet. Prüfkörper mit vier verschiedenen Krümmungsstufen werden dahingehend unter Verwendung einer Fallbolzenanlage im Niedergeschwindigkeitsbereich schädigend geprüft und die resultierende projizierende Schadensfläche in Abhängigkeit des Krümmungsgrades ausgewertet. Zur Untersuchung des reinen Krümmungseinflusses werden Prüfkörper in quasistatischen Druckversuchen im elastischen Bereich auf deren Verformungsverhalten hin analysiert. Durch Einführung des geometriebedingten Verformungswiderstandes als vergleichende Kenngröße kann auf Basis lokal variierender Struktursteifigkeiten ein Zusammenhang aus dem Impact-Verhalten und dem elastischen Verformungsverhalten gleicher Krümmungsstufen geschlossen werden. Durch begleitende numerische Untersuchungen wird das Verformungsverhalten sowie die sich dabei einstellenden einzelschichtspezifischen Spannungszustände untersucht. Weiterhin werden bestehende analytische Berechnungsmethoden für stetige Kreisbögen im Berechnungsumfang erweitert und auf die vorliegende Problemstellungübertragen. Eine Gegenüberstellung und Diskussion aller erfassten Versuchs- und Berechnungsergebnisse zeigt abschließend gemeinsame Abhängigkeiten auf.
In der vorliegenden Arbeit wird die Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von auskragenden Rohren aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit Querkraftbelastung an einem Ende und einer mehrreihigen Bolzenverbindung am anderen Ende behandelt. Bolzenverbindungen mit Fügepartner aus CFK werden im Stand der Technik nur an ebenen, zug- oder druckbelasteten, Verbindungen untersucht, weshalb der Einfluss der Biegebelastung, der gekrümmten Auflageflächen und des geschlossenen Rohrprofils untersucht und qualifiziert wird. Zudem zeigt sich ein Effekt der Abstützung bzw. resultierenden Verformungsbehinderung. Die Grundlage der Untersuchungen bilden 2-Punkt-Biegeversuche mit Verzerrungs- und Verschiebungsmessungen, die über FE-Modelle numerisch abgebildet und in einer Verzerrungs- und Spannungsanalyse detaillierter ausgewertet werden. Zur Darstellung des Einflusses der Biegebelastung werden zudem reine Zug- und Drucklasten aufgebracht, ausgewertet und abgeglichen. In drei Variationen des Biegeversuchs werden zudem, sowohl experimentell als auch numerisch, Effekte zu einer möglichen Steigerung der Verbindungsfestigkeit untersucht. Dazu zählt die Verwendung von zusätzlichen Schichten aus Titanlegierung im Kraftüberleitungsbereich, ein Versetzen der Bolzen im Umfang und eine Änderung der Abstützung in Lastrichtung. Für das Biegeverhalten der CFK-Rohre im frei auskragenden Bereich werden kontinuumsmechanische Modelle der anisotropen Elastizität für Rohre unter reiner Biegebelastung beschrieben, adaptiert und bezüglich der Ergebnisse bewertet. Um die Vergleichbarkeit der Berechnungsmodelle und Versuche zu gewährleisten, wird einerseits der Einfluss der speziellen Schichtstruktur in gewickelten CFK-Rohren diskutiert und andererseits werden die transversal-isotropen Materialeigenschaften der Einzelschicht an Probekörpern aus den Rohren bestimmt.
Mittels des entwickelten additiven Fertigungsprozesses des simultanen, intensitätsselektiven Laserstrahlschmelzens lassen sich Werkstoffverbunde bestehend aus unterschiedlichen Polymerwerkstoffen mit hohen Bauteilfestigkeiten realisieren. Die zukünftig realisierbaren Werkstoffverbunde können dabei durch eine örtlich variable Ausnutzung der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften die hinsichtlich lokal definierter Belastungsprofile gestellten Anforderungen an komplexe Multi-Material-Bauteile erfüllen. Dadurch lassen sich neue Anwendungsfelder für die additive Fertigung von Werkstoffverbunden erschließen.
The work reported in this thesis focuses on the development of indirect methods for the experimental determination of important source parameters for structure-borne sound source characterization. In the first part of the thesis, matrix inversion methods for the determination of blocked forces are investigated. A simplified measurement procedure is proposed which offers a solution to the two major challenges to these methods, namely the acquisition of the FRF matrix and the problems associated with matrix inversion. The proposed procedure involves a free, low-mobility receiver plate which is modelled numerically. Calculated FRFs are used together with measured velocity responses to inversely determine the blocked forces. It is found that while the method has great potential in principle, in practice the accurate modelling of the receiver plate is of critical importance. In the second part of the thesis, three formulations are considered for the indirect determination of source mobility. Instead of performing measurements on the source in the free state, the source mobility is obtained from measurements made in-situ. This approach is beneficial if the source is difficult to suspend, or if it contains non-linear structural elements. The three formulations are validated numerically and experimentally. It is found that the methods can quantify source mobilities of single-contact and multi-contact sources from in-situ measurements. However, typical measurement errors, such as background noise or inaccuracies in sensor positioning, can significantly reduce the accuracy and reliability of the methods. In the final part of the thesis, the reception plate method for the determination of the power injected by a high-mobility source into a low-mobility receiver is reviewed, and a source substitution method proposed as a development. The substitution method circumvents problems that may arise when the reception plate method is applied to coupled walls and floors. A special focus of investigation is on the calibration of the receiver structure. It is found that the calibration can be performed with shaker or hammer, and that an average calibration factor may be used. The source substitution method thus offers a potential alternative to the reception plate method, for application with coupled plates.
Anatomical differences between individuals are often neglected in musculoskeletal models, but they are necessary in case of subject-specific questions regarding the lumbar spine. A modification of models to each subject is complex and the effects on lumbar loading are difficult to assess. One objective of this work is to create a validated musculoskeletal human model, which facilitates a subject-specific modification of the lumbar geometry. In a second step, important parameters are identified in sensitivity studies and at last, a case study regarding multifidus muscle atrophy after a disc herniation is conducted.
The results of the studies indicate that lumbar motion and loading is dependent on lumbar ligament stiffness. Furthermore, subject-specific modelling of the lumbar spine should include at least the vertebral height, disc height and lumbar lordosis. The results of the case study suggest that an overloading of the multifidus muscle could follow disc herniation. Additionally, a subsequent atrophy of the muscles could expose adjacent levels to an increased loading, but these findings are highly dependent on the individual.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Tragverhalten von mit kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff Lamellen (CFK-Lamellen) biegeverstärkten Betonbauteilen. Ein wesentlicher Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf dem Verbundverhalten aufgeklebter CFK-Lamellen und der damit verbundenen Verbundkraftübertragung am Bauteil. Dazu werden auf Grundlage von zahlreichen eigenen experimentellen Untersuchungen verschiedene bekannte Modelle miteinander kombiniert und um bauteilspezifische Effekte erweitert. Dadurch kann erstmals ein geschlossenes, realitätsnahes sowie vollständig mechanisch begründetes Bemessungsmodell für mit aufgeklebten CFK-Lamellen biegeverstärkte Betonbauteile angegeben werden. Im Rahmen der Arbeit wird gezeigt, dass das so entwickelte Bemessungsmodell das Tragverhalten von zahlreichen Bauteilversuchen an unterschiedlichen statischen Systemen mit unterschiedlichsten Bauteilabmessungen und Bewehrungsführungen gut beschreiben kann. Aufbauend auf dem entwickelten Bemessungsmodell werden mithilfe von Simulationen auf der sicheren Seite liegende vereinfachte Ingenieurmodelle für eine schnelle und einfache Bemessung angegeben. Neben der Verbundkraftübertragung der aufgeklebten CFK-Lamellen, welche erstmals in Abhängigkeit der Bauteilverformungen und der Querkrafteinflüsse beschrieben wird, werden in der Arbeit auch das Querkrafttragverhalten, die Rissbildung sowie die Schnittgrößenumlagerung von mit aufgeklebten und in Schlitze ver-
klebten CFK-Lamellen verstärkten Betonbauteilen betrachtet. Somit steht mit dieser Arbeit ein vollständiges Bemessungskonzept für mit CFK-Lamellen biegeverstärkten Betonbauteilen unter statischer Belastung zur Verfügung.
Eine gängige Operationsmethode, um Frakturen der menschlichen Hand nach einem Unfall zu korrigieren, ist eine Osteosynthese mit sogenannten Kirschnerdrähten (K-Drähten) zur Stabilisierung von Knochenfragmenten. Die Einführung dieser langen, dünnen und scharfen Drähte durch manuelles Bohren ist eine komplexe minimalinvasive Operation, bei der ein Chirurg nahezu ohne visuelle Orientierung und nur durch eine kleine Öffnung der Haut des Patienten arbeitet. Als Orientierungshilfe für die optimale Lage der K-Drähte bleibt dem Chirurgen lediglich eine zweidimensionale (2D)-Röntgendarstellung und das Ertasten von knöchernen Vorsprüngen auf der menschlichen Hand, um Verletzungen an Risikostrukturen (Nerven, Gefäße usw.), die im Weichteilgewebe der Hand eingebettet sind, zu vermeiden. Für eine sichere und fehlerfreie Durchführung einer K-Draht-Osteosynthese ist deswegen eine gründliche theoretische und praktische Ausbildung junger Chirurgen notwendig.
Da traditionelle Trainingsmethoden zeitaufwendig, kostspielig, ethisch nicht korrekt und unzureichend realistisch sind, wird in dieser Arbeit ein innovativer, auf virtueller Realität (VR) basierender, Haptisch und Visuell unterstützter Trainingssimulator (HaptiVisT) für die Platzierung von K-Drähten entwickelt, der vor allem Handchirurgen mit Übungs- und Perfektionierungsbedarf dabei unterstützt, das Bohrverfahren in einer realistischen aber virtuellen Umgebung zu erlernen. Beim HaptiVisT-Prototypenaufbau werden reale Patientendaten segmentierter Volumendaten aus einer Computertomographie (CT) und einer Magnetresonanztomographie (MRT) im virtuellen, dreidimensionalen (3D) Raum auf einem 3D-Monitor visualisiert und für eine intuitive bimanuelle Haptik sowohl mit einem Kraftfeedback-Gerät für den Bohrprozess und einer 3D-gedruckten und optisch getrackten Phantomhand kombiniert.
Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst alle verwendeten Hardwaregeräte, die C++-Softwareumgebung, aufgebaut auf Multithreading (gleichzeitige Ausführung mehrerer Anweisungsfolgen in einem Prozess), und die auf Oberflächen- und Volumenrendering basierte Visualisierung. Die Kollisionsdetektion zwischen Bohrer und Knochen im virtuellen Raum wird in zwei separate Ereignisse unterteilt: Kollisionen zwischen Objekten als Gesamtes (Simulation der Kollision über die gesamte Objektoberfläche) und Kollisionen zwischen einer K-Draht-Spitze und dem Knochenvolumen für die Entfernung kleiner Volumenelemente (Voxel). Das Herzstück des Trainingssystems bildet eine echtzeitfähige Bohrsimulation, die den gesamten Bohrprozess in eine endliche Anzahl logischer Unterprozesse gliedert und diese Zustände in einen endlichen Zustandsautomaten (FSM, engl.: Finite State Machine) zusammenfasst. Das Kraftfeedback während einer Bohrung wird mit sogenannten „Virtual Fixtures“ (abstrakten sensorischen Informationen) berechnet und über einen Haptikarm auf den Benutzer übertragen. Damit die Simulation der Realität entspricht, wird unter Zuhilfenahme eines experimentellen Aufbaus die reale Bohrgeschwindigkeit durch kortikale Knochen ermittelt. Anschließend werden ein Levelkonzept und alle im System verfügbaren Bohrunterstützungswerkzeuge, wie haptische Korridore als Goldstandard oder eine Röntgenbildsimulation, vorgestellt. Mit ihnen ist es möglich, ausgesuchte Operationsfälle in Level unterschiedlicher Schwierigkeit zu unterteilen und den Operationsvorgang qualitativ zu bewerten. Der 3D-Druck einer Phantomhand (realitätsnahe Nachbildung einer Patientenhand) mit realistischen haptischen Eigenschaften zum Ertasten von Knochenvorsprüngen wird über einen metamaterialbasierten Ansatz (Neuanordnung des Grundmaterials durch eine künstlich angelegte, sich wiederholende Struktur) realisiert, da das aktuell am Markt verfügbare 3D-Druckmaterial für den Druck menschlichen Weichteilgewebes zu hart ist. Die Echtzeitverfolgung der Phantomhand beruht auf einem mit einer Stereokamera optisch getrackten Marker in Form eines Dodekaeders (Körper mit zwölf Flächen). Abschließend wird das HaptiVisT-Gesamtsystem in drei und der 3D-Druck einer Phantomhand in zwei Expertenevaluationen ausführlich untersucht und ausgewertet.
Das HaptiVisT-System versteht sich als notwendiges Komplement für den ersten und weltweit einzigen funktionsfähigen, kompakten Prototypen für virtuelle K-DrahtOsteosynthesen mit haptischen Kraftfeedback, der in Zukunft Chirurgen in Aus- und Weiterbildung an Kliniken oder Trainingszentren ein risikofreies, zeit- und ortsunabhängiges Training ermöglicht. Die Kernelemente dieser Arbeit sind:
• Stereoskopische 3D-Darstellung von realen Patientendaten.
• Bimanuelle Haptik aus haptischen Kraftfeedback des Bohrens verbunden mit einer optisch getrackten, haptisch korrekten und 3D-gedruckten Phantomhand.
• Zuverlässige Kollisionsdetektion zwischen virtuellen Objekten als Grundlage für das Kraftfeedback und die Abtragung von Knochen.
• Echtzeitfähige Bohrsimulation durch Reduzierung des Bohrprozesses auf logische Bohr-Teilprozesse kombiniert mit einer Virtual Fixtures basierten Kraftberechnung.
Haptisch korrekte Phantome sind vor allem im medizinischen Training von hoher Relevanz und die Berechnung des Kraftfeedbacks beruht erstmals auf der performanten und stabilen Simulation von Bohr-Teilprozessen unter Verwendung von Virtual Fixtures. Der Prototyp wird von Experten durchgehend positiv bewertet und bietet nach deren Einschätzung einen hohen Mehrwert für das chirurgische Training.
Zukünftige Arbeiten könnten den Lerneffekt durch das HaptiVisT-Trainingssystem in stichhaltigen Evaluationen mit jungen Medizinstudenten unter Vorhandensein einer Kontrollgruppe statistisch validieren. Bei Bestätigung dieses Lerneffekts ist eine Ausgründung als eigenständiges Unternehmen und Weiterentwicklung des Prototyps mit Ausweitung auf weitere chirurgische Bereiche wie Knie- oder Hüftchirurgie denkbar. Unter Zuhilfenahme von automatischer Segmentierung könnten in Zukunft akut zu behandelnde Brüche abgebildet, vorab einer tatsächlichen Operation geübt und anschließend komplikationslos unter reduzierter Operationszeit durchgeführt werden.
Berücksichtigung unbewehrter pfahlartiger Tragglieder beim Nachweis der Gesamtstandsicherheit
(2019)
Das Lastabtragungsverhalten und die Interaktion schlanker, unbewehrter, hydraulisch gebundener Tragglieder mit dem umgebenden Boden wird bei Nachweisen der Gesamtstandsicherheit mit bestehenden Bemessungsansätzen nicht zutreffend erfasst.
Mit numerischen Modellierungen werden die Interaktion pfahlartiger Tragglieder mit dem umgebenden Boden sowie die daraus resultierenden Versagensmechanismen untersucht. Die Validierung des numerischen Modells erfolgt durch Nachrechnung von 1g-Modellversuchen. Das validierte Modell wird darauf für die Sensitivitätsanalyse und die Ableitung eines analytischen Modells genutzt.
Mit dem analytischen Berechnungsansatz wird die Aktivierung der Bemessungswiderstände von pfahlartigen Traggliedern quantifiziert. Es werden Berechnungsmethoden zur Berücksichtigung der Bemessungswiderstände der pfahlartigen Tragglieder beim Nachweis der Gesamtstandsicherheit aufgezeigt.
Patient/inn/en mit Rheumatoider Arthritis (RA) leiden unter erheblichen individuellen Belastungen. Zudem entstehen der Gesellschaft hohe direkte und indirekte Kosten. Physiotherapie (PTH) wird in Behandlungsleitlinien grundsätzlich, aber unspezifisch als wichtiger Versorgungsbestandteil empfohlen. Leitlinien basieren vorrangig auf experimentellen Studien, die jedoch wegen ihrer geringen externen Validität nur eingeschränkt aussagekräftig sind. Beobachtende Studien haben demgegenüber eine höhere externe Validität und daher werden in den vorliegenden Systematischen Review Studien beider Forschungsansätze paritätisch integriert. Hierfür wird auf Basis der Forschungspyramide und bewährter Instrumente ein Synthese- und Bewertungssystem entwickelt. Ergänzt durch zwei Sekundärdatenanalysen und eine Primärstudie zum Bedarf an PTH werden aus dem Review Empfehlungen zu einer effektiven und bedarfsgerechten Versorgung und zur zukünftigen Forschung entwickelt.
Die vorliegende Arbeit behandelt die analytische und numerische Identifikation einer mesomechanischen Kinematik in gewebeverstärkten Einzellagen sowie deren Validierung über die Strukturdynamik von flachen stabförmigen Probekörpern aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Unter der Voraussetzung, dass das wiederholte Wirken der Kinematik Energie dissipiert, trägt sie bei zyklischer viskoelastischer Deformation zusätzlich zur reinen viskoelastischen Werkstoffdämpfung in gewebeverstärkten Einzellagen bei.
Die analytischen und numerischen Untersuchungen beschränken sich auf die Betrachtung des ebenen, zweidimensionalen Zusammenhangs einer vollständigen Ondulation bzw. einer repräsentativen Sequenz in Dickenrichtung. Zur Parameteridentifikation werden die geometrischen Abmessungen in definierten Schritten variiert. Dafür wird der Grad der Ondulation in gewebeverstärkten Einzellagen Õ=A/L als dimensionslose Kennzahl eingeführt. Zur Validierung der dämpfungserhöhenden Wirkung der in den analytischen und numerischen Untersuchung identifizierten mesomechanischen Kinematik in gewebeverstärkten Einzellagen werden in experimentellen strukturdynamischen Untersuchungen frei abklingende Transversalschwingungen von einseitig fest eingespannten Probekörpern untersucht. Im Detail werden flache stabförmige Probekörper aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz mit Lagenaufbauten aus 0°-unidirektionalen und gewebeverstärkten Einzellagen untersucht. Die Ergebnisse der experimentellen strukturdynamischen Untersuchungen dienen schließlich der Validierung des analytischen Modells und der numerischen Berechnungen. Die dämpfungserhöhende Wirkung der identifizierten mesomechanischen Kinematik wird schließlich in Abhängigkeit des eingeführten Grades der Ondulation Õ quantifiziert.
Anatomical differences between individuals are often neglected in musculoskeletal models, but they are necessary in case of subject-specific questions regarding the lumbar spine. A modification of models to each subject is complex and the effects on lumbar loading are difficult to assess. The objective of this thesis is to create a validated musculoskeletal model of the human body, which facilitates a subject-specific modification of the geometry of the lumbar spine. Furthermore, important parameters are identified in sensitivity studies and a case study regarding multifidus muscle atrophy after a disc herniation is conducted. Therefore, a generic model is heavily modified and a semi-automatic process is implemented. This procedure remodels the geometry of the lumbar spine to a subject-specific one on basis of segmented medical images. The resulting five models are validated with regard to the lumbar loading at the L4/L5 level. The influence of lumbar ligament stiffness is determined by changing the stiffness values of all lumbar ligaments in eleven steps during a flexion motion. Sensitivities of lumbar loading to an altered geometry of the lumbar spine are identified by varying ten lumbar parameters in simulations with each model in four postures. The case study includes an analysis of the loading of the multifidus muscle and of the lumbar discs throughout various stages of disc herniation. This time each model performs four motions with two different motion rhythms. The results indicate that lumbar motion and loading is dependent on lumbar ligament stiffness. Furthermore, subject-specific modelling of the lumbar spine should include at least the vertebral height, disc height and lumbar lordosis. The results of the case study suggest that an overloading of the multifidus muscle could follow disc herniation. Additionally, a subsequent atrophy of the muscles could expose adjacent levels to an increased loading, but these findings are highly dependent on the individual.