Some advances in open problems of isogeometric analysis

[EN]Isogeometric analysis (IGA) has arisen as an attempt to unify the fields of CAD and classical finite element methods. The main idea of IGA consists in using for analysis the same functions (splines) that are used in CAD representation of the geometry. The main advantage with respect to the traditional finite element method is a higher smoothness of the numerical solution and more accurate representation of the geometry. IGA seems to be a promising tool with wide range of applications in engineering. However, this relatively new technique have some open problems that require a solution. In this work we present our results and contributions to this issue…

Bistable elliptic equations with fractional diffusion

This work concerns the study of bounded solutions to elliptic nonlinear equations with fractional diffusion. More precisely, the aim of this thesis is to investigate some open questions related to a conjecture of De Giorgi about the one-dimensional symmetry of bounded monotone solutions in all space, at least up to dimension 8. This property on 1-D symmetry of monotone solutions for fractional equations was known in dimension n=2. The question remained open for n>2. In this work we establish new sharp energy estimates and one-dimensional symmetry property in dimension 3 for certain solutions of fractional equations. Moreover we study a particular type of solutions, called saddle-shaped solutions, which are the candidates to be global minimizers not one-dimensional in dimensions bigger or equal than 8. This is an open problem and it is expected to be true from the classical theory of minimal surfaces.

Ein inverses Problem für die degeneriert parabolische Richardsgleichung

In der vorliegenden Arbeit werden zwei physikalischeFließexperimente an Vliesstoffen untersucht, die dazu dienensollen, unbekannte hydraulische Parameter des Materials, wiez. B. die Diffusivitäts- oder Leitfähigkeitsfunktion, ausMeßdaten zu identifizieren. Die physikalische undmathematische Modellierung dieser Experimente führt auf einCauchy-Dirichlet-Problem mit freiem Rand für die degeneriertparabolische Richardsgleichung in derSättigungsformulierung, das sogenannte direkte Problem. Ausder Kenntnis des freien Randes dieses Problems soll dernichtlineare Diffusivitätskoeffizient derDifferentialgleichung rekonstruiert werden. Für diesesinverse Problem stellen wir einOutput-Least-Squares-Funktional auf und verwenden zu dessenMinimierung iterative Regularisierungsverfahren wie dasLevenberg-Marquardt-Verfahren und die IRGN-Methode basierendauf einer Parametrisierung des Koeffizientenraumes durchquadratische B-Splines. Für das direkte Problem beweisen wirunter anderem Existenz und Eindeutigkeit der Lösung desCauchy-Dirichlet-Problems sowie die Existenz des freienRandes. Anschließend führen wir formal die Ableitung desfreien Randes nach dem Koeffizienten, die wir für dasnumerische Rekonstruktionsverfahren benötigen, auf einlinear degeneriert parabolisches Randwertproblem zurück.Wir erläutern die numerische Umsetzung und Implementierungunseres Rekonstruktionsverfahrens und stellen abschließendRekonstruktionsergebnisse bezüglich synthetischer Daten vor.

Analysis and modeling techniques for ultrasonic tissue characterization

This thesis introduces new processing techniques for computer-aided interpretation of ultrasound images with the purpose of supporting medical diagnostic. In terms of practical application, the goal of this work is the improvement of current prostate biopsy protocols by providing physicians with a visual map overlaid over ultrasound images marking regions potentially affected by disease. As far as analysis techniques are concerned, the main contributions of this work to the state-of-the-art is the introduction of deconvolution as a pre-processing step in the standard ultrasonic tissue characterization procedure to improve the diagnostic significance of ultrasonic features. This thesis also includes some innovations in ultrasound modeling, in particular the employment of a continuous-time autoregressive moving-average (CARMA) model for ultrasound signals, a new maximum-likelihood CARMA estimator based on exponential splines and the definition of CARMA parameters as new ultrasonic features able to capture scatterers concentration. Finally, concerning the clinical usefulness of the developed techniques, the main contribution of this research is showing, through a study based on medical ground truth, that a reduction in the number of sampled cores in standard prostate biopsy is possible, preserving the same diagnostic power of the current clinical protocol.

Entwicklung einer Fokalebenen-Driftkammer für niederenergetische Pionen und experimentelle Bestimmung einer inversen Transfermatrix für das Short-Orbit-Spektrometer

Die Drei-Spektrometer-Anlage am Mainzer Institut für Kernphysik wurde um ein zusätzliches Spektrometer ergänzt, welches sich durch seine kurze Baulänge auszeichnet und deshalb Short-Orbit-Spektrometer (SOS) genannt wird. Beim nominellen Abstand des SOS vom Target (66 cm) legen die nachzuweisenden Teilchen zwischen Reaktionsort und Detektor eine mittlere Bahnlänge von 165 cm zurück. Für die schwellennahe Pionproduktion erhöht sich dadurch im Vergleich zu den großen Spektrometern die Überlebenswahrscheinlichkeit geladener Pionen mit Impuls 100 MeV/c von 15% auf 73%. Demzufolge verringert sich der systematische Fehler ("Myon-Kontamination"), etwa bei der geplanten Messung der schwachen Formfaktoren G_A(Q²) und G_P(Q²), signifikant. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Driftkammer des SOS. Ihre niedrige Massenbelegung (0,03% X_0) zur Reduzierung der Kleinwinkelstreuung ist auf den Nachweis niederenergetischer Pionen hin optimiert. Aufgrund der neuartigen Geometrie des Detektors musste eine eigene Software zur Spurrekonstruktion, Effizienzbestimmung etc. entwickelt werden. Eine komfortable Möglichkeit zur Eichung der Driftweg-Driftzeit-Relation, die durch kubische Splines dargestellt wird, wurde implementiert. Das Auflösungsvermögen des Spurdetektors liegt in der dispersiven Ebene bei 76 µm für die Orts- und 0,23° für die Winkelkoordinate (wahrscheinlichster Fehler) sowie entsprechend in der nicht-dispersiven Ebene bei 110 µm bzw. 0,29°. Zur Rückrechnung der Detektorkoordinaten auf den Reaktionsort wurde die inverse Transfermatrix des Spektrometers bestimmt. Hierzu wurden an Protonen im ¹²C-Kern quasielastisch gestreute Elektronen verwendet, deren Startwinkel durch einen Lochkollimator definiert wurden. Daraus ergeben sich experimentelle Werte für die mittlere Winkelauflösung am Target von sigma_phi = 1,3 mrad bzw. sigma_theta = 10,6 mrad. Da die Impulseichung des SOS nur mittels quasielastischer Streuung (Zweiarmexperiment) durchgeführt werden kann, muss man den Beitrag des Protonarms zur Breite des Piks der fehlenden Masse in einer Monte-Carlo-Simulation abschätzen und herausfalten. Zunächst lässt sich nur abschätzen, dass die Impulsauflösung sicher besser als 1% ist.

Strukturfaktoren, Modenkopplungsgleichungen und Glasübergang molekularer Kristalle

In dieser Arbeit wird der Orientierungsglasübergang ungeordneter, molekularer Kristalle untersucht. Die theoretische Behandlung ist durch die Anisotropie der Einteilchen-Verteilungsfunktion und der Paarfunktionen erschwert. Nimmt man ein starres Gitter, wird der reziproke Raum im Gegenzug auf die 1. Brillouin-Zone eingeschränkt. Der Orientierungsglasübergang wird im Rahmen der Modenkopplungsgleichungen studiert, die dazu hergeleitet werden. Als Modell dienen harte Rotationsellipsoide auf einem starren sc Gitter. Zur Berechnung der statischen tensoriellen Strukturfaktoren wird die Ornstein-Zernike(OZ)-Gleichung molekularer Kristalle abgeleitet und selbstkonsistent zusammen mit der von molekularen Flüssigkeiten übernommenen Percus-Yevick(PY)-Näherung gelöst. Parallel dazu werden die Strukturfaktoren durch MC-Simulationen ermittelt. Die OZ-Gleichung molekularer Kristalle ähnelt der von Flüssigkeiten, direkte und totale Korrelationsfunktion kommen jedoch wegen des starren Gitters nur ohne Konstantanteile in den Winkelvariablen vor, im Gegensatz zur PY-Näherung. Die Anisotropie bringt außerdem einen nichttrivialen Zusatzfaktor. OZ/PY-Strukturfaktoren und MC-Ergebnisse stimmen gut überein. Bei den Matrixelementen der Dichte-Dichte-Korrelationsfunktion gibt es drei Hauptverläufe: oszillatorisch, monoton und unregelmäßig abfallend. Oszillationen gehören zu alternierenden Dichtefluktuationen, führen zu Maxima der Strukturfaktoren am Zonenrand und kommen bei oblaten und genügend breiten prolaten, schwächer auch bei dünnen, nicht zu langen prolaten Ellipsoiden vor. Der exponentielle monotone Abfall kommt bei allen Ellipsoiden vor und führt zu Maxima der Strukturfaktoren in der Zonenmitte, was die Tendenz zu nematischer Ordnung zeigt. Die OZ/PY-Theorie ist durch divergierende Maxima der Strukturfaktoren begrenzt. Bei den Modenkopplungsgleichungen molekularer Kristalle zeigt sich eine große Ähnlichkeit mit denen molekularer Flüssigkeiten, jedoch spielen auf einem starrem Gitter nur die Matrixelemente mit l,l' > 0 eine Rolle und es finden Umklapps von reziproken Vektoren statt. Die Anisotropie bringt auch hier nichtkonstante Zusatzfaktoren ins Spiel. Bis auf flache oblate Ellipsoide wird die Modenkopplungs-Glaslinie von der Divergenz der Strukturfaktoren bestimmt. Für sehr lange Ellipsoide müssen die Strukturfaktoren zur Divergenz hin extrapoliert werden. Daher treibt nicht der Orientierungskäfigeffekt den Glasübergang, sondern Fluktuationen an einer Phasengrenze. Nahe der Kugelform ist keine zuverlässige Glasline festlegbar. Die eingefrorenen kritischen Dichte-Dichte-Korrelatoren haben nur in wenigen Fällen die Oszillationen der statischen Korrelatoren. Der monotone Abfall bleibt dagegen für lange Zeiten meist erhalten. Folglich haben die kritischen Modenkopplungs-Nichtergodizitätsparameter abgeschwächte Maxima in der Zonenmitte, während die Maxima am Zonenrand meist verschwunden sind. Die normierten Nichtergodizitätsparameter zeigen eine Fülle von Verläufen, besonders tiefer im Glas.

Nuclear charge radii of light isotopes based on frequency comb measurements

Optical frequency comb technology has been used in this work for the first time to investigate the nuclear structure of light radioactive isotopes. Therefore, three laser systems were stabilized with different techniques to accurately known optical frequencies and used in two specialized experiments. Absolute transition frequency measurements of lithium and beryllium isotopes were performed with accuracy on the order of 10^(−10). Such a high accuracy is required for the light elements since the nuclear volume effect has only a 10^(−9) contribution to the total transition frequency. For beryllium, the isotope shift was determined with an accuracy that is sufficient to extract information about the proton distribution inside the nucleus. A Doppler-free two-photon spectroscopy on the stable lithium isotopes (6,7)^Li was performed in order to determine the absolute frequency of the 2S → 3S transition. The achieved relative accuracy of 2×10^(−10) is improved by one order of magnitude compared to previous measurements. The results provide an opportunity to determine the nuclear charge radius of the stable and short-lived isotopes in a pure optical way but this requires an improvement of the theoretical calculations by two orders of magnitude. The second experiment presented here was performed at ISOLDE/CERN, where the absolute transition frequencies of the D1 and D2 lines in beryllium ions for the isotopes (7,9,10,11)^Be were measured with an accuracy of about 1 MHz. Therefore, an advanced collinear laser spectroscopy technique involving two counter-propagating frequency-stabilized laser beams with a known absolute frequency was developed. The extracted isotope shifts were combined with recent accurate mass shift calculations and the root-mean square nuclear charge radii of (7,10)^Be and the one-neutron halo nucleus 11^Be were determined. Obtained charge radii are decreasing from 7^Be to 10^Be and increasing again for 11^Be. While the monotone decrease can be explained by a nucleon clustering inside the nucleus, the pronounced increase between 10^Be and 11^Be can be interpreted as a combination of two contributions: the center-of-mass motion of the 10^Be core and a change of intrinsic structure of the core. To disentangle these two contributions, the results from nuclear reaction measurements were used and indicate that the center-of-mass motion is the dominant effect. Additionally, the splitting isotope shift, i.e. the difference in the isotope shifts between the D1 and D2 fine structure transitions, was determined. This shows a good consistency with the theoretical calculations and provides a valuable check of the beryllium experiment.

The effect of elastic modulus and equilibrium vapor adsorption on capillary forces

Die Kapillarkraft entsteht durch die Bildung eines Meniskus zwischen zwei Festkörpen. In dieser Doktorarbeit wurden die Auswirkungen von elastischer Verformung und Flϋssigkeitadsorption auf die Kapillarkraft sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops wurde die Kapillarkraft zwischen eines Siliziumoxid Kolloids von 2 µm Radius und eine weiche Oberfläche wie n.a. Polydimethylsiloxan oder Polyisopren, unter normalen Umgebungsbedingungen sowie in variierende Ethanoldampfdrϋcken gemessen. Diese Ergebnisse wurden mit den Kapillarkräften verglichen, die auf einem harten Substrat (Silizium-Wafer) unter denselben Bedingungen gemessen wurden. Wir beobachteten eine monotone Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck (P) fϋr P/Psat > 0,2, wobei Psat der Sättigungsdampfdruck ist.rnUm die experimentellen Ergebnisse zu erklären, wurde ein zuvor entwickeltes analytisches Modell (Soft Matter 2010, 6, 3930) erweitert, um die Ethanoladsorption zu berϋcksichtigen. Dieses neue analytische Modell zeigte zwei verschiedene Abhängigkeiten der Kapillarkraft von P/Psat auf harten und weichen Oberflächen. Fϋr die harte Oberfläche des Siliziumwafers wird die Abhängigkeit der Kapillarkraft vom Dampfdruck vom Verhältnis der Dicke der adsorbierten Ethanolschicht zum Meniskusradius bestimmt. Auf weichen Polymeroberflächen hingegen hängt die Kapillarkraft von der Oberflächenverformung und des Laplace-Drucks innerhalb des Meniskus ab. Eine Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck hat demnach eine Abnahme des Laplace-Drucks mit zunehmendem Meniskusradius zur folge. rnDie analytischen Berechnungen, fϋr die eine Hertzsche Kontakt-deformation angenommen wurde, wurden mit Finit Element Methode Simulationen verglichen, welche die reale Deformation des elastischen Substrats in der Nähe des Meniskuses explizit berϋcksichtigen. Diese zusätzliche nach oben gerichtete oberflächenverformung im Bereich des Meniskus fϋhrt zu einer weiteren Erhöhung der Kapillarkraft, insbesondere fϋr weiche Oberflächen mit Elastizitätsmodulen < 100 MPa.rn

Funzioni a variazione limitata e funzioni assolutamente continue

Si studiano le funzioni assolutamente continue (proprietà, caratterizzazioni ed esempi) e le funzioni a variazione limitata (prima di queste, qualche breve richiamo sulle funzioni monotone e sulla funzione di Vitali).

Superfici di suddivisione: teoria, algoritmi ed applicazioni

Le superfici di suddivisione sono un ottimo ed importante strumento utilizzato principalmente nell’ambito dell’animazione 3D poichè consentono di definire superfici di forma arbitraria. Questa tecnologia estende il concetto di B-spline e permette di avere un’estrema libertà dei vincoli topologici. Per definire superfici di forma arbitraria esistono anche le Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) ma non lasciano abbastanza libertà per la costruzione di forme libere. Infatti, a differenza delle superfici di suddivisione, hanno bisogno di unire vari pezzi della superficie (trimming). La tecnologia NURBS quindi viene utilizzata prevalentemente negli ambienti CAD mentre nell’ambito della Computer Graphics si è diffuso ormai da più di 30 anni, l’utilizzo delle superfici di suddivisione. Lo scopo di questa tesi è quello di riassumere, quindi, i concetti riguardo questa tecnologia, di analizzare alcuni degli schemi di suddivisione più utilizzati e parlare brevemente di come questi schemi ed algoritmi vengono utilizzati nella realt`a per l’animazione 3D.

Grafi aleatori - il modello di Erdos-Rényi

Dopo aver dato una definizione formale per il modello di Erdos-Rényi, si dimostra che in un grafo ER il grado dei nodi (misura della connessione) risulta essere una variabile aleatoria con distribuzione binomiale, mentre il clustering (misura della densità di archi a livello locale) tende a zero. Successivamente si determinano le funzioni soglia per alcune proprietà monotone particolarmente significative, consentendo così di descrivere diverse configurazioni possibili per un grafo ER al variare dei suoi parametri. Infine, si mostra come si possano utilizzare i grafi ER per modellizzare la diffusione di una malattia infettiva all’interno di una popolazione numerosa.

Studio sperimentale sulla rottura a fatica in regime fessurato di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.

Studio sperimentale del comportamento a fatica di calcestruzzi rinforzati con fibre sintetiche

La presente tesi di Laurea Magistrale ha lo scopo di studiare sperimentalmente il comportamento a fatica dei calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche (Macro Synthetic Fiber Reinforced Concrete, MSFRC). Sono condotte prove cicliche di flessione su tre punti al fine di caratterizzare il comportamento dei calcestruzzi fibrorinforzati in regime fessurato nel caso di fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue, HCF). Oltre a prove di fatica sono condotte anche prove monotone a flessione al fine di ottenere la caratterizzazione meccanica del materiale determinandone i principali parametri di frattura; i risultati di tali prove sono utili anche a definire la procedura di prova definitiva da adottare durante i test di fatica. Le testimonianze presenti in letteratura sul comportamento a fatica degli FRC rinforzati con fibre sintetiche sono molto limitate, specialmente nel caso di fatica ad alto numero di cicli; inoltre le prove cicliche, a differenza delle prove monotone, non sono prove standardizzate e quindi definite dalla normativa. Nel corso della presente campagna sperimentale si cercherà quindi di definire una procedura per poter eseguire in maniera stabile le prove di flessione, monotone e di fatica, su campioni prismatici di calcestruzzo fibrorinforzato. L’idea alla base della campagna sperimentale oggetto di questa tesi è quella di riprodurre, mediante prove di fatica, le usuali condizioni di esercizio a cui sono sottoposte, durante la loro vita utile, strutture come pavimentazioni stradali o industriali; infatti il traffico stradale o il transito di macchinari possono indurre su strutture del genere dei carichi ripetuti nel tempo tali da provocarne il collasso per fatica. La presente tesi è articolata in otto capitoli nei quali verranno evidenziate le principali proprietà, sia meccaniche che fisiche, del materiale composito oggetto dello studio, saranno definite le procedure dei test eseguiti e verranno discussi i risultati derivanti da essi.

Analisi sperimentale e numerica del comportamento delle connessioni per strutture in XLAM

La tesi ha lo scopo di determinare una correlazione tra lo spostamento laterale e la riduzione di resistenza a trazione per le connessioni di tipo holdown per pareti in legno massiccio XLam. Per raggiungere questo obiettivo è stata condotta un’indagine sperimentale, nella quale sono state eseguite prove cicliche a trazione in controllo di spostamento assiale, con imposizione di uno spostamento a taglio iniziale. Sono state eseguite inoltre prove monotone combinate, caratterizzate da contemporaneo spostamento a taglio e assiale legati da rapporto diverso per ogni tipologia di prova. Si è ricavata una legge di danno che correla lo spostamento laterale alla riduzione di resistenza assiale: per scorrimenti entro 15 mm il danno è contenuto (10%), ma arrivando a 30-45mm la riduzione di resistenza è del 20%. Mettendo insieme invece le monotone ottenute variando il suddetto rapporto di velocità si è definito un dominio di resistenza. La seconda parte verte sulla modellazione numerica in OpenSEES delle connessioni come molle di un materiale isteretico, tarate sulla base delle curve sperimentali cicliche ottenute. Queste sono state poi utilizzate per la modellazione di una parete a molle disaccoppiate, che considera solo la resistenza a trazione per hold-down e a taglio per angolari (sottostima resistenza reale). Una seconda modellazione a molle accoppiate considera la resistenza in entrambe le direzioni: questo sovrastima la resistenza globale reale, poiché non tiene conto della contemporanea applicazione del carico nelle due direzioni. E’ stata quindi applicata la suddetta legge di danno attraverso un procedimento iterativo che in base agli spostamenti laterali riduce la resistenza assiale e riesegue l’analisi con i parametri corretti, per rivalutare spostamenti e resistenze: la progettazione attuale sovradimensiona gli angolari, il collasso della struttura avviene per rottura non bilanciata, con hold-down plasticizzati e angolari in campo elastico (meccanismo di rocking).

Comparison of three strip-type tests and two laboratory methods for salivary buffering analysis

This study evaluated the correlation between three strip-type, colorimetric tests and two laboratory methods with respect to the analysis of salivary buffering. The strip-type tests were saliva-check buffer, Dentobuff strip and CRT(®) Buffer test. The laboratory methods included Ericsson's laboratory method and a monotone acid/base titration to create a reference scale for the salivary titratable acidity. Additionally, defined buffer solutions were prepared and tested to simulate the carbonate, phosphate and protein buffer systems of saliva. The correlation between the methods was analysed by the Spearman's rank test. Disagreement was detected between buffering capacity values obtained with three strip-type tests that was more pronounced in case of saliva samples with medium and low buffering capacities. All strip-type tests were able to assign the hydrogencarbonate, di-hydrogenphosphate and 0.1% protein buffer solutions to the correct buffer categories. However, at 0.6% total protein concentrations, none of the test systems worked accurately. Improvements are necessary for strip-type tests because of certain disagreement with the Ericsson's laboratory method and dependence on the protein content of saliva.