Die Fakultät Architektur und Stadtplanung biete die Möglichkeit zu ingenieurwissenschaftlichen (Dr.-Ing.) und, abhängig von der betreuenden Person, geisteswissenschaftlichen (Dr.-Phil.) Promotionen.
In kaum einem anderen Studienfach ist das thematische Spektrum der Dissertationsthemen so breit wie in der Architektur und Stadtplanung. Die große Vielfalt der Institute bildet sich auch in der fachlichen und methodischen Breite der Forschung an unserer Fakultät ab. Es gibt ingenieurswissenschaftliche Dissertationen, in denen experimentell bauphysikalische und baukonstruktive Fragen bearbeitet werden, bau- und kunstgeschichtliche Dissertationen, die sich mit historischen Bauten, Baustilen, Bautechniken oder Baumeistern oder mit Fragen des Denkmalschutzes befassen, und es gibt Dissertationen, die architektur- und planungstheoretische, architektursoziologische, bauökonomische, bau-, stadt- und landschaftsökologische, entwurfs- und planungsmethodische, gebäudekundliche sowie stadt- und landschaftsplanerische Themen behandeln.
Für die Promotion an der Fakultät sollte man zunächst mit einem Mitglied der Fakultät Kontakt aufnehmen, welches berechtigt ist, Promotionen zu betreuen (Professor*innen und Nachwuchsgruppenleiter*innen) und eine möglichst hohe fachliche Nähe zum inhaltlichen Schwerpunkt der geplanten Arbeit aufweist.
Die formelle Annahme als Doktorand*in muss man erst bei GRADUS, und dann beim Promotionsausschuss der Fakultät beantragen. GRADUS ist für die Vorprüfungen von allen Promotionsvorhaben an der Universität Stuttgart verantwortlich.
Wichtige Formulare von GRADUS zur Promotion, inklusive der aktuellen Promotionsordnung, finden Sie hier.
Eine Handreichung über die Aufnahme zur Promotion an der Fakultät finden Sie hier in Kürze als pdf zum Download.
Voraussetzung für die Promotion sind ein Master oder ein als gleichwertig anerkannter Abschluss. Für Absolvent*innen von Fachhochschulen, Berufsakademien und Dualen Hochschulen sowie ausländischer Hochschulen gelten besondere Zulassungsvoraussetzungen, die in der Promotionsordnung geregelt sind.
Der Promotionsausschuss findet direkt vor jedem Fakultätsrat statt. Die aktuellen Termine entnehmen Sie den Gremienterminen der Universität Stuttgart.
Implementation of the science laboratory Columbus in the MATLAB-based simulation system V-HAB
The next generation of human space exploration missions will take crews farther away from Earth than ever before. This results in increasingly sophisticated life support systems (LSS) to keep the astronauts alive, happy and healthy. Mission scenarios of this kind therefore require greater autonomy, utilizing modern machine learning methods for early detection and warning of anomalies and faults. Such models must be trained on large datasets, including both nominal and off-nominal cases.
One possible solution for generating the necessary data is to use the Virtual Habitat (V HAB) simulation. The objective of this master’s thesis is to model the Columbus module as part of the ISS within V HAB. The individual onboard life support systems must be identified and potential failure modes must be incorporated. The aim of this thesis is to create the Columbus model, conduct tests and evaluate the model based on real data.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | • Familiarization with life support system technologies and the Columbus module • Familiarization with V HAB • Identification of requirements and constraints • Development of models for all LSS systems inside Columbus • Implementation and test of the Model using V HAB • Validation with real Columbus data • Documentation |
| Einrichtung: | Astronautik und Exploration (060515) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Claas Olthoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Integration of V-HAB and Synera for Enhanced Life Support System Modeling and Automation
The next generation of human space exploration missions will require increasingly sophisticated life support systems (LSS) to sustain crews on long-duration missions far from Earth. V HAB, a powerful simulation system for modeling complex LSS, employs a unique bottom-up approach that allows for high-precision modeling of all LSS components up to a user-defined granularity. This approach enables V HAB to maintain high modeling accuracy by providing detailed information on mass flow, temperature, pressure, humidity, and composition for each individual process and subsystem.
Currently, V HAB operates entirely within MATLAB without requiring additional packages or toolboxes. It offers a library of pre-defined basic LSS components, allowing users to integrate existing subsystems into their designs rather than starting from scratch. However, V HAB lacks a user-friendly graphical interface. (GUI), hindering its accessibility and usability, especially for new users. This master's thesis will work in parallel with the ongoing development of the V HAB GUI to compare the suitability of Synera as an alternative approach.
Synera, a modern low-code automation platform, offers the potential to address these gaps and enhance V HAB's capabilities. The integration of V HAB with Synera provides significant potential to improve the functionality and user experience of the LSS modeling platform. By leveraging Synera's capabilities, the integrated system could provide a user-friendly graphical interface, streamline the design process with quick options and arranging tools, and offer real-time feedback through automated logic tests and live updating feeds. These features would make V HAB more accessible to new users while providing comprehensive overviews of designed LSS and enhancing understanding of their operations.
This master's thesis aims to investigate and implement this integration, creating an advanced modeling platform that enables more efficient data generation, improved visualization of simulation results, and enhanced automation of modeling workflows.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | • Familiarization with LSS technologies, V HAB's architecture, and Synera's features • Develop a conceptual framework for integrating V HAB simulations within Synera • Implement custom nodes in Synera for V HAB operations and LSS components • Design and implement a user-friendly graphical interface for V HAB using Synera • Conduct a case study of a complex LSS scenario using the integrated V HAB-Synera platform • Evaluate the integrated system's performance • Documentation |
| Einrichtung: | Astronautik und Exploration (060515) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Claas Olthoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
veCROP Model Validation
Biological life support systems are crucial for a long-term human presence in space. Only systems that incorporate living organisms (other than humans) can close the carbon loop and produce food for crews on exploration missions. Life support systems for human space missions are already very complex, and the addition of higher plants and algae only increases this complexity due to the addition of subsystems and the comparatively long time constants compared to physico-chemical components. In order to deal with this complexity, the Virtual Habitat (V HAB) simulation tool was developed. This MATLAB-based system allows engineers to design life support systems and assess their dynamic behavior using desktop computers, rather than building large and expensive test rigs.
To increase the fidelity of simulation models of higher plants, the Virtual Evapotranspiration, Carbon assimilation, Respiration and Oxygen Production (veCROP) model was developed for V HAB. It consists of two submodels for photosynthesis and evapotranspiration. As new plant data has been made available from our partners at NASA’s Kennedy Space Center, it is now possible to validate the veCROP model against real plant measurements. The goal of this thesis is therefore to validate the plant model to identify any shortcomings and areas of improvement. Additionally, the thesis shall produce recommendations for future hardware testing in the Life Support Lab at IRS.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | • Familiarization with V HAB • Familiarization with the veCROP model • Validation of veCROP using NASA data • Documentation of major and minor differences • Recommendations for future work on veCROP and associated testing |
| Einrichtung: | Astronautik und Exploration (060515) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Claas Olthoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Development of a concept and a virtual model of a Carbon Dioxide Removal Assembly for the IRS Human Spaceflight Laboratory
The next generation of human space exploration missions will take crews farther away from Earth than ever before. These missions will necessitate increasingly sophisticated Life Support Systems (LSSs) to ensure astronauts stay alive, healthy and happy. Mission scenarios of this kind therefore require greater autonomy, relying on simulations as well as laboratory setups to recreate the nominal behaviour of the LSS during all mission phases.
In order to be able to simulate these complex LSS at the Institute of Space Systems (IRS), a small-scale laboratory is going to be constructed. Apart from a central chamber the laboratory consists of various subsystems. One of these is the Carbon Dioxide Removal Assembly (CDRA), which is currently being used onboard the ISS to remove excess carbon dioxide from the atmosphere.
The aim of this thesis is to investigate the functionality of the CDRA and its usage in other research facilities. The CDRA is then designed and adapted for the IRS LSS laboratory and modelled in the MATLAB tool V HAB. Research should therefore include the working of a CDRA, its implementation as well as requirements for the IRS laboratory.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | • Familiarization with the CDRA technology • Research on the workings of a CDRA and other implementations • Identification of requirements for the IRS laboratory • Development of a concept for the CDRA inside the IRS laboratory • Design of the CDRA • Implementation and modelling of the CDRA in V HAB • Documentation |
| Einrichtung: | Astronautik und Exploration (060515) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Claas Olthoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Automatische Montage von Holz-Zapfenverbindungen mithilfe von Reinforcement Learning
Die automatische Montage von Holzkonstruktionen mithilfe von Robotersystemen kann die Produktivität, Qualität, Sicherheit und Gesundheit auf Baustellen verbessern. Die Handhabung von Holzbauteilen in Kontaktsituationen ist jedoch aufgrund der inhärenten Variabilität, Oberflächenrauheit und geringeren Steifigkeit als zum Beispiel Metall herausfordernd.
1 Aufgabenstellung
In der Arbeit soll die Montage von Holzbauteilen für einen Franka Research 3 Roboter mit Reinforcement Learning (RL) automatisiert werden.
• Automatische Montage von Holz-Zapfen-Verbindungen mithilfe von RL-Algorithmen, um die Policy des Roboters für die Bewältigung von Kontaktsituationen zu optimieren.
• Der Roboter ist mit 3D-Tiefenkameras zur Erfassung von Punktwolken, RGB-Kameras für vorinstallierte visuelle Marker an den Bauteilen und Drehmoment-sensoren in den Robotergelenken ausgestattet.
• Der Montageprozess wird zunächst in MuJoCo simuliert, um das RL-Modell zu trainieren. Dann werden die Algorithmen an einem echten Franka Research 3-Roboter validiert.
2 Anforderungen
• Hohe Eigenmotivation und Bereitschaft, sich in neue Themenbereiche einzuarbeiten
• Grundkenntnisse/Interesse an RL, praktischem Arbeiten im Labor
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Robotergestütztes Bauen (021514) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Anja Lauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Robotisches Auffangen von hängenden schweren Bauteilen mittels Memory-based Reinforcement Learning
Die automatische Montage von Holzkonstruktionen mit robotischen Systemen kann die Produktivität und Qualität auf Baustellen steigern und gleichzeitig Gesundheit und Sicherheit fördern. Allerdings stellt die Handhabung schwerer Bauelemente, die mit Kranen gehoben werden, besondere Herausforderungen dar. Insbesondere zeigen hängende Bauteile dynamische Pendelbewegungen. Aufgrund der großen Masse und des Impulses dieser Komponenten im Verhältnis zum Roboter muss eine effektive Fangstrategie entwickelt werden, die Aufprallkräfte berücksichtigt, um mögliche Schäden am robotischen System zu minimieren.
1 Aufgabenstellung:
Ziel des Projekts ist die Implementierung eines speicherbasierten Deep-Reinforcement-Learning-Algorithmus zum dynamischen Auffangen hängender schwerer Bauelemente mit einem Franka Research 3-Roboter.
• Simulation der Fangaufgabe mit MuJoCo.
• Implementierung von Algorithmen wie Impedanzregelung, Proximal Policy Optimization (PPO), Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) und Recurrent Deterministic Policy Gradient (RDPG).
• Domain-Randomisierung für sim2real-Transfer: Geometrie, Masse, Reibung usw.
• Validierung des Algorithmus auf einem realen Franka Research 3-Roboter.
2 Anforderungen:
• Ausgeprägte Eigenmotivation und Bereitschaft, sich in neue Themen einzuarbeiten
• Grundkenntnisse oder Interesse an Reinforcement Learning sowie an praktischer Laborarbeit
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Robotergestütztes Bauen (021514) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Anja Lauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Literaturanalyse der Verhaltens- und Bewegungsmotivationen von wandernden Fischarten
Hintergrund
Diese Arbeit zielt darauf ab, aktuelle Forschung zu synthetisieren, bezüglich Verhaltens- und Reaktionsmustern von Wanderfischen auf hydraulische, andere umweltbezogene und sensorische Faktoren. Aufbauend auf Erkenntnissen der vergangenen Jahrzehnte wird soll dargelegt werden, wie beispielsweise Salmonide und Aale Strömungsgeschwindigkeitsgradienten, turbulente Bereiche und Veränderungen der Wasserqualität durchwandern und erfahren. Besonderer Fokus liegt auf dem Zusammenspiel zwischen physischen Schwimmfähigkeiten (Burst-and-Rest-Verhalten, Scherschichtnutzung) und sensorischen Reizen (olfaktorische Signale, Trübung, Temperaturgradienten). Durch eine Gegenüberstellung von laborbasierten Erkenntnissen zu physiologischen Schwellen sowie kontrollierten Präferenztests und feldbasierten Studien, die eine reale Verhaltensflexibilität zeigen, soll die Übersicht sowohl Übereinstimmungen als auch Abweichungen in beobachteten Wanderungsmustern aufzeigen. Darüber hinaus fasst die Arbeit gängige Modellierungsansätze zusammen, von statistischen Modellen zur Auf- und Abwärtsbewegung bis hin zu detaillierten Simulationen, die Turbulenz und Temperatur integrieren. Dadurch soll veranschaulicht werden, wie Fischbewegungen unter verschiedenen Szenarien prognostiziert werden können. Zudem sollen technische Fortschritte in der Telemetrie und Umweltmesstechnik diskutiert werden. Letztlich wird diese Synthese zentrale Verhaltensengpässe identifizieren und beispielhaft aufzeigen, wie diese in bestehenden Modellen zweier Fischaufstiegsanlagen eingebracht werden können. Dadurch bietet diese Arbeit Empfehlungen für zukünftige Forschung und den Ausbau von Infrastrukturen, die dem komplexen Verhalten wichtiger Wanderfischarten gerecht werden.
Übersicht des Arbeitsablauf:
* Vertrautmachen mit Ecohydraulics, Ethohydraulik und kritischen Strömungseigenschaften wie Turbulenz.
* Analysieren der wissenschaftlichen Literatur zu bestimmten Verhaltensmustern und Modellierungsverfahren mithilfe des Web of Science.
* Erstellen eines gut strukturierten und umfassenden technischen Kompendiums (Berichts), das den aktuellen Stand der Wissenschaft über das Verhalten und die Bewegungsmotivationen von Wanderfischen synthetisiert, einschließlich übersichtlicher tabellarischer Zusammenfassungen wichtigter Daten und informativer Abbildungen.
* Wird die Arbeit als Masterarbeit verfasst, sind die wesentlichen Informationen der Literatur-übersicht zusätzlich in der Form eines wissenschaftlichen Manuskripts zu präsentieren.
Voraussetzungen:
* Grundkenntnisse der Flusshydraulik und des Wasserbaus.
* Gute analytische und redaktionelle Fähigkeiten.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Wasserbau und Wassermengenwirtschaft (021410) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Sebastian Schwindt E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Meta-Analyse von fluvialen geomorphologischen Mustern
Die fluviale Geomorphologie befasst sich mit der Frage, wie Flusssysteme ihre umgebende Landschaft formen und im Laufe der Zeit mit Sediment und Wasser interagieren. Sie untersucht spezifische Muster von Flüssen und Auen, um Prozesse wie Erosion, Sedimenttransport und Ablagerung zu analysieren. Diese Prozesse stehen in Wechselwirkung zueinander und beinhalten komplex verwandte Parameter, was die Erstellung deterministischer Modelle erschwert. Aufgrund dieser Komplexität wurden morphologische Landformen lange Zeit von Experten lediglich konzeptuell betrachtet. In den letzten Jahrzehnten wurden morphologische Beschreibungen mit Daten über typische Fließeigenschaften (z.B. Wassertiefe und Fließgeschwindigkeit), Geländeeigenschaften (z. B. Gefälle) und andere Umweltbedingungen (z. B. feuchtes oder arides Klima) untermauert. Die meisten dieser Beschreibungen involvieren jedoch dimensionsbehaftete Parameter, wie die Fließgeschwindigkeit und nicht auf dimensionslose Parameter, wie z.B. die Froude-Zahl sowie zeitliche Variabilität. Ziel dieser Arbeit ist es, morphologische Muster anhand von dimensionslosen Parametern und zeitlich variabler Dynamik während morphologisch relevanter Hochwasser zu klassifizieren. Ausgehend von einer Dimensionsanalyse, einem gängigen Werkzeug der Strömungsmechanik, soll eine bestehende Datenbank angereichert und eine systematische Datenanalyse durchgeführt werden. Schließlich sollen gängige Data-Science-Tools angewendet werden, um neue Erkenntnisse zu gewinnen, die auch für Anwendungen im Hochwasserschutz und in der Flussrenaturierung von großer Bedeutung sind.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | 1. Grundkenntnisse in Wasserbau und Flusshydraulik (d.h. Wasserbaugrundkurs bzw. -vertiefung o.ä.). 2. Interesse an fluvialer Ökogeomorphologie und Datenwissenschaft. 3. Erwünscht: Vorhandene Kenntnisse oder Bereitschaft, Python und QGIS zu erlernen sowie damit zu arbeiten. |
| Lernziel: | 1. Vertraut werden mit geomorphologischen Konzepten in Flussökosystemen. 2. Verstehen der vorhandenen Daten und relevanter Python-Bibliotheken (numpy, sklearn). 3. Analysieren der Daten bezüglich gängige Statistiken (Normalität, signifikante Verteilungen, Korrelationen usw.). 4. Durchführen von Dimensionsanalysen und Extrahieren morphologischer Zeitskalen. 5. Physikalisch kohärente statistisches Modellieren (z. B. Hauptkomponentenanalyse, PCA). |
| Einrichtung: | Wasser- und Umweltsystemmodellierung (021400) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Sebastian Schwindt E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Entwicklung von Kommunikations- und Interaktionsstrategien für die Zusammenarbeit zwischen Baufachkräften und robotischen Assistenzsystemen
Die Bauindustrie befindet sich im Wandel – geprägt von steigendem Automatisierungsgrad, zunehmendem Fachkräftemangel und wachsendem Bedarf an effizienteren Bauprozessen. In diesem Kontext rücken Bauroboter zunehmend in den Fokus der Forschung und Entwicklung. Sie bieten das Potenzial, monotone, gefährliche oder präzisionskritische Aufgaben zu übernehmen und damit die Produktivität, Qualität und Sicherheit auf der Baustelle zu steigern. Ein zentrales Element für den erfolgreichen Einsatz solcher Systeme ist jedoch die effektive Kommunikation und Interaktion zwischen Mensch und Roboter. Anders als in abgeschirmten industriellen Fertigungsanlagen bewegen sich Bauroboter in dynamischen, unstrukturierten Umgebungen und müssen mit einer Vielzahl menschlicher Akteure koordiniert zusammenarbeiten. Dies erfordert intuitive, robuste und kontextsensitive Schnittstellen, über die Informationen ausgetauscht, Befehle gegeben und Zustände transparent gemacht werden können.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Gestaltung und Umsetzung geeigneter Kommunikations- und Interaktionskonzepte für Bauroboter. Ziel ist es, die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine so zu gestalten, dass sie sicher, effizient und für alle Beteiligten verständlich ist.
In dieser Arbeit soll die kollaborative Zusammenarbeit zwischen menschlichem Personal und dem robotischen Assistenzsystem vorangetrieben werden. Dazu sollen Interaktions- und Kommunikationsstrategien für die bilaterale Zusammenarbeit systematisch untersucht und entwickelt werden. Das robotische Assistenzsystem soll in der Lage sein, Werkzeuge und Materialien an die nutzende Person zu übergeben und von dieser zu empfangen. Ziel ist das Erreichen einer flüssigen Objektübergabe ohne die Notwendigkeit des Blickkontakts. Nach erfolgter technischer Implementierung sollen die Handover-Strategien erprobt und iterativ verbessert werden. Abschluss der Arbeit soll eine Probandenstudie darstellen mit dem Ziel statistisch auswertbare Ergebnisse bezüglich geeigneter Handover-Strategien zu ermitteln.
Teilaufgaben der Arbeit:
• Entwicklung und Umsetzung von Handover-Strategien (Kommunikation, Feedback, physische Objektübergabe)
• Kombination der Roboter- und Greifersteuerung mit verschiedenen Handover-Strategien
• Systemvalidierung: Iterative Erprobung, Verbesserung und Validierung des Systems
• Probandenversuch: Eignungsüberprüfung der entwickelten Handover-Strategien mittels Probandenversuch
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Robotergestütztes Bauen (021514) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Anja Lauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Untersuchung des Werkstoffeinsatzes und -kreislaufs für Lebenszyklusanalysen und Rumpfmassenbestimmungen
• Literaturrecherche zur Nutzung von Wasserstoff in der Luftfahrt und Lebenszyklusanalysen für Flugzeuge
• Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung des Werkstoffbedarfs (Volumen und Masse) für Flugzeugrumpfstrukturen
• Abschätzung von Flugzeugstrukturteilen aus Faserverbundwerkstoffen und davon abgeleiteten Implikationen
• Vollständige Betrachtung der Werkstoffströme (Cradle-to-grave) verschiedener Materialien für die Flugzeugrumpfstruktur
• Dokumentation und Präsentation der Zwischen- und Abschlussergebnisse
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Flugzeugbau (060300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Andreas Strohmayer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Quality control of GRACE-FO gravity field models by their phase spectra.
GRACE-FO, gravity field models
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Geodätisches Institut (062000) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Nicolaas Sneeuw E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Lernen zu lernen: Meta Learning für die schnelle Adaption in der chirurgischen Phasenerkennung
Die KI-gestützte Analyse chirurgischer Abläufe ist ein Schlüsselbereich moderner Medizintechnik. Ein wesentliches Problem besteht jedoch darin, dass viele Phasenerkennungsmodelle nur auf den Trainingsdaten gut performen, aber bei neuen Chirg:innen, Kameras oder Kliniken deutlich an Genauigkeit verlieren. Um dieses Generalisierungsproblem zu adressieren, bietet sich Meta-Learning als Strategie an: Modelle sollen so trainiert werden, dass sie lernen zu lernen – und sich damit schnell und robust an neue Domänen anpassen können, selbst wenn nur sehr wenige neue Beispiele vorhanden sind.
Ziel der Arbeit ist es, eine fundierte Recherche und Bewertung existierender Meta-Learning-Ansätze vorzunehmen, eine für chirurgische Phasenerkennung geeignete Strategie auszuwählen und diese im Hinblick auf Verbesserung der Generalisierbarkeit umzusetzen und zu evaluieren. Die Arbeit umfasst dabei sowohl die theoretische Einordnung der Methode als auch deren praktische Umsetzung sowie den Vergleich mit klassischen Ansätzen wie Finetuning. Damit soll ein Beitrag zu robusteren, flexibler einsetzbaren KI-Systemen im chirurgischen Umfeld geleistet werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Grundlegende Programmierkenntnisse (vorzugsweise Python) Erste Erfahrungen/Kenntnisse in Datenanalyse und KI vorteilhaft Motivation und Bereitschaft, sich in neue Themen einzuarbeiten Analytische Herangehensweise, Selbstständigkeit und Zuverlässigkeit |
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Aufbau und Test einer 2D-magneto-optischen Falle
For our new quantum network node experiment, neutral rubidium atoms need to be trapped and cooled in a three-dimensional magneto-optical trap (MOT) before being transferred into optical tweezers and positioned within the cavity mode. To load the three-dimensional magneto-optical trap, we plan to set up a two-dimensional MOT. In this master's project, you will plan, set up, and characterize the 2D MOT. Eventually, the 2D magneto-optical trap will be connected to the main experiment chamber and serve as an efficient loading mechanism for atoms.
Contact: Dr. Stephan Welte
stephan.welte (at) pi5.uni-stuttgart.de
Quantum Network Node Group
https://www.pi5.uni-stuttgart.de/institute/team/Welte/
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | 5. Physikalisches Institut (081500) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Tilman Pfau E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Pound-Drever-Hall Locking eines Diodenlasersystems auf eine ultrastabile Referenz-Cavity
In the new quantum network node laboratory, several diode lasers are used to cool, trap, and position single neutral atoms at the center of an optical cavity. These lasers must be locked to a stable reference provided by an ultra-low expansion (ULE) cavity. In this master’s thesis, you will set up the laser system and lock all the lasers to the ULE cavity using the Pound-Drever-Hall technique. To achieve this, the lasers must first be spatially overlapped using dichroic filters before reaching the ULE cavity. Subsequently, the laser light is transported via glass fibers to the atoms inside a vacuum chamber.
Kontakt:
Dr. Stephan Welte
stephan.welte (at) pi5.uni-stuttgart.de
Quantum Network Node Gruppe
https://www.pi5.uni-stuttgart.de/research/quantum-network-node/
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | 5. Physikalisches Institut (081500) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Tilman Pfau E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Strategien für robuste Vorhersagen in der chirurgischen Phasenerkennung durch gezielte Inferenzmethoden
In der modernen Medizintechnik spielt KI eine zentrale Rolle – etwa in der Analyse chirurgischer Videos zur automatischen Erkennung von OP-Phasen. Während viele Modelle in kontrollierten Datensätzen gute Ergebnisse erzielen, ist die Zuverlässigkeit der Vorhersagen in realen Anwendungssituationen häufig unzureichend. Insbesondere bei veränderten Lichtverhältnissen, Kameraperspektiven oder bei Daten aus anderen Kliniken kann es zu unsicheren oder fehlerhaften Modellentscheidungen kommen.
Ziel dieser Arbeit ist es, Strategien zur Stabilisierung und Absicherung von Modellvorhersagen zu entwickeln und zu evaluieren. Im Fokus stehen:
- Test-Time Augmentation (TTA): Mehrfache Modellabfragen mit leicht variierten Eingaben zur Verbesserung der Robustheit.
- Confidence Filtering: Analyse der Vorhersagesicherheit zur Erkennung und ggf. Ablehnung unsicherer Modellentscheidungen.
Beide Ansätze sollen kombiniert und in einem bestehenden System zur chirurgischen Phasenerkennung implementiert und getestet werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Grundlegende Programmierkenntnisse (vorzugsweise Python) Erste Erfahrungen/Kenntnisse in Datenanalyse und KI vorteilhaft Motivation und Bereitschaft, sich in neue Themen einzuarbeiten Analytische Herangehensweise, Selbstständigkeit und Zuverlässigkeit |
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Systematische Analyse und Evaluierung gezielter Generalisierungsstrategien in KI-basierten chirurgischen Assistenzsystemen
Künstliche Intelligenz (KI) findet zunehmend Anwendung im Bereich der computerunterstützten Chirurgie. Insbesondere Deep Learning-basierte Modelle für die chirurgische Phasenerkennung bieten großes Potenzial, intraoperative Assistenzsysteme zu entwickeln. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die Generalisierungsfähigkeit dieser Modelle gegenüber unbekannten chirurgischen Stilen, Kamerasettings und Patientenkollektiven sicherzustellen. Trotz Fortschritten durch Techniken wie Datenaugmentation und Ensemble Learning bleibt die Robustheit vieler Modelle gegenüber Variationen eingeschränkt. Ein tieferes Verständnis, welche Kombinationen dieser Methoden in chirurgischen Anwendungen am wirkungsvollsten sind, fehlt bislang. Eine systematische Studie ist notwendig, um die Wirkmechanismen einzelner Methoden sowie deren Synergien zu untersuchen. Das Ziel der Arbeit ist es, eine umfassende Ablationsstudie zu realisieren, in der verschiedene Generalisierungsstrategien auf die Aufgabe der chirurgischen Phasenerkennung (am Beispiel des Cholec80-Datensatzes) angewendet und verglichen werden. Darauf aufbauend sollen konkrete Empfehlungen für robuste Modellarchitekturen und Trainingsverfahren in der chirurgischen KI-Entwicklung abgeleitet werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Grundlegende Programmierkenntnisse (vorzugsweise Python) Erste Erfahrungen/Kenntnisse in Datenanalyse und KI vorteilhaft Motivation und Bereitschaft, sich in neue Themen einzuarbeiten Analytische Herangehensweise, Selbstständigkeit und Zuverlässigkeit |
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Entwicklung einer interaktiven Demo zur Visualisierung der Modellleistung in KI-basierten chirurgischen Assistenzsystemen
Die Anwendung von Künstlicher Intelligenz (KI) im Bereich der chirurgischen Assistenzsysteme hat in den letzten Jahren signifikante Fortschritte erzielt, insbesondere bei der Phasenerkennung in chirurgischen Eingriffen wie der Cholezystektomie (Gallenblasenentfernung). Ein zentrales Ziel der aktuellen Forschung ist es, KI-Modelle zu entwickeln, die in der Lage sind, auf einer breiten Palette von chirurgischen Szenarien robust und verlässlich zu arbeiten. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Strategien erforscht, um die Generaliserungsfähigkeit der Modelle zu verbessern. Um den Wert dieser Strategien anschaulich und interaktiv zu vermitteln, kann eine Demonstration unterstützen, die die Auswirkungen solcher Strategien auf die Modellleistung visualisiert. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer interaktiven Demo, die es ermöglicht, die Leistung von KI-Modellen zur Phasenerkennung zu evaluieren und die Auswirkungen unterschiedlicher Strategien auf die Modellleistung visuell darzustellen. Der Beitrag liegt in der systematischen Visualisierung dieser Effekte, um die Anwendbarkeit der Modelle im chirurgischen Kontext zu verdeutlichen und die Kluft zwischen theoretischer Forschung und praktischer Anwendung zu schließen.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Grundlegende Programmierkenntnisse (vorzugsweise Python) Erste Erfahrungen/Kenntnisse in Datenanalyse und KI vorteilhaft Motivation und Bereitschaft, sich in neue Themen einzuarbeiten Analytische Herangehensweise, Selbstständigkeit und Zuverlässigkeit |
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Spectral Learning of Neural Operators
Neural Operators are a popular class of models for solving partial differential equations using Deep Neural Networks (DNNs). It has been well-established that DNNs suffer from the so-called spectral bias, which is a tendency towards learning low-frequency components. This problem can be attributed to several factors, including the specific choice of the neural net architecture deployed, the loss function, activation functions, etc. This is a limitation for effectively solving multi-physics PDEs and multi-scale phenomena of turbulent simulations using deep neural nets.
Towards addressing these issues, this thesis will explore effective ways to mitigate the spectral bias. The concrete tasks of the thesis would encompass developing novel neural network architectures, running experiments on benchmark PDE simulation datasets to test the hypothesis, and analyzing the effectiveness of the proposed model on a variety of evaluation metrics.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Maschinelles Lernen in den Simulationswissenschaften (053040) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Mathias Niepert E-Mail Steffen Staab E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Spectral Learning of Neural Operators
Neural Operators are a popular class of models for solving partial differential equations using Deep Neural Networks (DNNs). It has been well-established that DNNs suffer from the so-called spectral bias, which is a tendency towards learning low-frequency components. This problem can be attributed to several factors, including the specific choice of the neural net architecture deployed, the loss function, activation functions, etc. This is a limitation for effectively solving multi-physics PDEs and multi-scale phenomena of turbulent simulations using deep neural nets.
Towards addressing these issues, this thesis will explore effective ways to mitigate the spectral bias. The concrete tasks of the thesis would encompass developing novel neural network architectures, running experiments on benchmark PDE simulation datasets to test the hypothesis, and analyzing the effectiveness of the proposed model on a variety of evaluation metrics.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Maschinelles Lernen in den Simulationswissenschaften (053040) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Mathias Niepert E-Mail Steffen Staab E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Weiterentwicklung und Validierung eines Berechnungstools für den Wärme- und Stofftransport in Abdeckungen von Erdbecken-Wärmespeicher
Erdbecken-Wärmespeicher (PTES) sind eine Schlüsseltechnologie der Langzeit-Wärmespeicherung für eine zukunftsfähige Transformation von Wärmenetzen. Bei PTES handelt es sich um großvolumige Speicherbecken mit bis zu 200.000 m³, die mit Heißwasser bei einer Temperatur von bis zu 95 °C beladen werden. Zur Reduktion der Wärmeverluste wird der Speicher an der Wasseroberfläche wärmegedämmt. Dafür wird auf einer aufschwimmenden Kunststoffdichtungsbahn (KDB) eine Dämmung aufgebracht, welche an der Umgebungsseite mit einer weiteren KDB gegen Umgebungseinflüsse abgedichtet wird.
Bei bereits realisierten PTES kam es immer wieder zu Feuchteakkumulationen in der Wärmedämmung und damit steigenden Wärmeverlusten, sodass ein wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr gegeben war. Um potenzielle Feuchteakkumulationen und die damit einhergehenden Wärmeverluste frühzeitig zu erkennen, soll basierend auf einem bestehenden DuMux Modell der wärmegekoppelte Stofftransport durch ein poröses Medium (hier: Wärmedämmung) anhand von realen Messdaten nachmodelliert werden.
Ziel der Arbeit ist es, ein bestehendes Modell auf die Feuchte-, - Temperatur und Wärmemessdaten der vorhandenen Messtechnik anzupassen, sowie spezifische Randbedingungen und stoffabhängige Konstitutivbeziehungen zu implementieren.
Die Entwicklung des Modells ist Teil des BMWK-geförderten Forschungsvorhabens Efficient Pit FKZ 03EN6007B.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Wasser- und Umweltsystemmodellierung (021400) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Holger Class E-Mail Bernd Flemisch E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Weiterentwicklung und Validierung eines Berechnungstools für den Wärme- und Stofftransport in Abdeckungen von Erdbecken-Wärmespeicher
Erdbecken-Wärmespeicher (PTES) sind eine Schlüsseltechnologie der Langzeit-Wärmespeicherung für eine zukunftsfähige Transformation von Wärmenetzen. Bei PTES handelt es sich um großvolumige Speicherbecken mit bis zu 200.000 m³, die mit Heißwasser bei einer Temperatur von bis zu 95 °C beladen werden. Zur Reduktion der Wärmeverluste wird der Speicher an der Wasseroberfläche wärmegedämmt. Dafür wird auf einer aufschwimmenden Kunststoffdichtungsbahn (KDB) eine Dämmung aufgebracht, welche an der Umgebungsseite mit einer weiteren KDB gegen Umgebungseinflüsse abgedichtet wird.
Bei bereits realisierten PTES kam es immer wieder zu Feuchteakkumulationen in der Wärmedämmung und damit steigenden Wärmeverlusten, sodass ein wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr gegeben war. Um potenzielle Feuchteakkumulationen und die damit einhergehenden Wärmeverluste frühzeitig zu erkennen, soll basierend auf einem bestehenden DuMux Modell der wärmegekoppelte Stofftransport durch ein poröses Medium (hier: Wärmedämmung) anhand von realen Messdaten nachmodelliert werden.
Ziel der Arbeit ist es, ein bestehendes Modell auf die Feuchte-, - Temperatur und Wärmemessdaten der vorhandenen Messtechnik anzupassen, sowie spezifische Randbedingungen und stoffabhängige Konstitutivbeziehungen zu implementieren.
Die Entwicklung des Modells ist Teil des BMWK-geförderten Forschungsvorhabens Efficient Pit FKZ 03EN6007B.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Wasser- und Umweltsystemmodellierung (021400) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Holger Class E-Mail Bernd Flemisch E-Mail |
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Bestimmung der Kerntemperatur eines MOSFET mittels Kalman filter technologie
Diese Arbeit zielt darauf ab, die Genauigkeit der internen Temperaturabschätzung in integrierten Schaltkreisen zu verbessern, indem das konventionelle thermische Modell (T_core = T_ambient + P_diss * R_th) mit Hilfe von Kalman-Filtertechniken erweitert wird. Der derzeitige Ansatz stützt sich auf Wärmewiderstandswerte aus dem Datenblatt, die oft ungenau sind und das dynamische thermische Verhalten nicht berücksichtigen.
Die vorgeschlagene Methode kombiniert Echtzeit-Leistungsmessungen mit begrenzten Temperatursensordaten im Rahmen eines Kalman-Filters, um genauere Temperaturschätzungen zu erhalten.
Durch experimentelle Validierung wird diese Forschung die Verbesserung der Schätzgenauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden quantifizieren und eine praktische Lösung für die Echtzeit-Temperaturüberwachung demonstrieren, die mit der vorhandenen Sensorinfrastruktur implementiert werden kann.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | Zu den wichtigsten Forschungsschritten gehören: -Identifizierung der korrekten thermischen Reaktionscharakteristik durch kontrollierte Experimente -Entwicklung eines dynamischen thermischen Modells, das kapazitive Effekte berücksichtigt -Entwurf und Implementierung einer geeigneten Kalman-Filterstruktur -Charakterisierung der Mess- und Prozessrauschparameter -Validierung der Leistung des Schätzers unter verschiedenen Betriebsbedingungen |
| Einrichtung: | Automatisierungstechnik und Softwaresysteme (050100) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Michael Weyrich E-Mail |
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Experimentelle Untersuchung und analytische Analyse der Tropfenaufprall-Dynamik auf dünne Flüssigkeitsfilme mittels Defocusing Particle Tracking Velocimetry (DPTV)
Eine etablierte Methode, die Defocusing Particle Tracking Velocimetry (DPTV), nutzt Partikel im Tropfen,
deren Bewegungen durch eine Hochgeschwindigkeitskamera erfasst werden. Diese Bewegungen werden
zweidimensional aufgezeichnet, den X- und Y-Koordinaten zugeordnet und entlang der optischen Achse
mithilfe des Effekts der Tiefenschärfe (Defocusing) ausgewertet, um die Partikeltiefenposition (Z) zu
bestimmen. In der Literatur herrscht Einigkeit über die räumliche Lamellenausbreitung und deren Variation
der radialen Geschwindigkeit, die eine lineare Abhängigkeit von der radialen Position aufweist.
Unterschiedliche Erklärungen existieren jedoch für den zeitlichen Zerfall der Geschwindigkeit und die Rolle
viskoser Kräfte. Lamanna et al. (2022) entwickelten ein analytisches Modell, das die Dynamik der Krone
beschreibt und die Auswirkungen der Grenzschicht auf die zeitliche Entwicklung des radialen
Geschwindigkeitsprofils berücksichtigt. Ihre Analyse zeigte, dass viskose Kräfte vor allem im späteren
Stadium der Lamellenausbreitung relevant werden. Diese Erkenntnis wurde von Schubert et al. (2024)
bestätigt, die das komplexe Zusammenspiel zwischen Druckkräften sowie Scher- und Normalspannungen
bei der Entwicklung der radialen Geschwindigkeitsverteilung betonten. Ziel der Arbeit wird es daher sein,
experimentelle Daten am bestehenden Prüfstand zu generieren und diese mit einer vorhandenen DPTV
MATLAB-Routine auszuwerten. Die Analyse des Geschwindigkeitsprofils soll anschließend durchgeführt und
in bestehende analytische Modelle integriert werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (060700) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Grazia Lamanna E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Moment Matching für Unsicherheitsquantifizierung in der Prozessmodellierung
In der Geostatistik werden viele reale Prozesse (z. B. Bodeneigenschaften, Umweltmessungen) werden an einer Reihe von räumlichen Orten beobachtet beobachtet, aber diese Prozesse werden oft von komplexen, unbekannten unbekannten Faktoren beeinflusst. Traditionelle Methoden der räumlichen Modellierung, wie z. B. Kriging oder Gauß-Prozess-Modellierung, gehen von bestimmten zugrunde liegenden Strukturen an (z. B. Gauß'scher Charakter oder Stationarität), die möglicherweise nicht für alle für alle Prozesse. Solche Annahmen können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Schätzungen einschränken, insbesondere wenn die Daten von diesen diesen Annahmen abweichen.
Das Ziel ist es, solche starken Annahmen zu vermeiden und sich auf das Lernen die Momente (d.h. statistische Eigenschaften) direkt aus mehreren Stichprobenpfaden Pfaden. Einmal gelernt, können diese Momente verwendet werden, um die Momente an neuen, unbeobachteten Orten zu schätzen, wodurch eine flexible und robuste Modellierung von Unsicherheiten in geostatistischen Prozessen.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine Pipeline für das Momentenmatching zu implementieren, die modularen Charakter zu implementieren, so dass verschiedene Modellierungsansätze wie neuronale Netze, GPEs und aPCE an mehreren synthetischen und mehreren synthetischen und realen Testfällen, wie z.B. randomisierten GP Realisierungen und Niederschlagsdaten.
Bearbeitung auch als (SimTech) Forschungsmodul möglich.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Fortgeschrittene wissenschaftliche Programmierung in Python - Solides Verständnis von maschinellem Lernen, Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung |
| Lernziel: | - Literaturrecherche zu bestehenden Moment-Matching-Frameworks - Implementierung einer Moment-Matching-Pipeline für verschiedene (bereits existierende Implementierungen von) Modellansätzen - Numerische Experimente für synthetische und reale Daten - Visualisierung der Ergebnisse und Diskussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Sergey Oladyshkin E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Deep Learning of Trend Functions in Non-Stationary Groundwater Processes
Groundwater levels can be seen as a large-scale trend, superimposed with local variations around the trend. Knowing the large-scale trend may form a firm basis for refinement with geostatistical approaches. Geostatistical methods often assume so-called stationarity: that the statistics (like mean, variance, and spatial correlation) of groundwater levels are invariant under translation in the space-time domain. Currently, handling trends in geostatistics is only possible with linear, regression-like methods. However, for groundwater applications, the large-scale trend can be a complex, non-linear function due to spatially varying recharge or pumping management regimes, boundary conditions, geological trends, and the nonlinear dependence of heads on hydraulic conductivities.
In such non-linear settings, existing geostatistical methods fail to produce good maps of groundwater levels. Therefore, we want to extend geostatistical methods. The trend ansatz must become nonlinear and should exploit available satellite data or auxiliary information on land use, recharge, boundary conditions, and so forth. We propose this Master thesis topic to formulate an approach that combines different approaches from deep learning with geostatistical interpolation to estimate groundwater levels under nonstationary and non-linear conditions.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Python (or comparable), MODFLOW, computer programming - Hydro(geo)logy, Groundwater Modelling, (geo)Statistics, Machine learning |
| Lernziel: | - Literature review for exploring different approaches - Formulate a deep learning approach for the large-scale trend - Write a code (e.g. in Python) - Design and simulate different scenarios for testing and validation - Visualization of results and discussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Modellierung der Wassertemperatur in Trinkwasserversorgungsleitungen
Die Trinkwasserversorgung ist eines der wichtigsten Bedürfnisse der menschlichen Gesellschaft. Die Trinkwasserqualität in Leitungsnetzen hängt direkt von der Bodentemperatur um die Rohre herum ab, die mit zunehmender Verweilzeit einen immer größeren Einfluss auf die Trinkwassertemperatur hat. Da höhere Trinkwassertemperaturen jedoch anfälliger für bakterielles Wachstum sind, wird die Frage nach einer genauen Vorhersage der Temperatur in Trinkwasserleitungsnetzen angesichts des Klimawandels dringend. Das typische Betriebsmodell zur Beschreibung der Temperatur in Wasserleitungen verwendet eine einfache Exponentialfunktion. Um den Einfluss der meteorologischen Bedingungen auf den Wärmetransport von der Erdoberfläche durch den Untergrund zu den Trinkwasserleitungen zu untersuchen, wurde in VEGAS ein numerisches Modell entwickelt, das den Wärme- und Feuchtigkeitstransport am Pilotstandort mit Hilfe des numerischen Simulationsprogramms DuMuX beschreibt.
Das Ziel der vorgeschlagenen Arbeit ist es, beide Modelle (Exponentialfunktion und prozessbasiertes Modell) zu vergleichen.Dabei soll untersucht werden, wie die Erkenntnisse aus dem komplexen prozessbasierten Modell in die betriebliche Temperaturvorhersage einfließen können, z.B. bei der Planung neuer Trinkwassernetze.
Zu diesem Zweck wird das bestehende DuMuX-Modell des Pilotstandorts verwendet.Je nach Vorlieben und Qualifikationen des Kandidaten kann der Schwerpunkt der Arbeit zwischen realer operationeller Modellierung und numerischer Implementierung physikalischer Modelle angepasst werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - C++, Python, Programmierung - Hydrogeologie, Hydrologie, Grundwassermodellierung |
| Lernziel: | - Literaturübersicht über die Modellierung der Wassertemperatur in Rohrnetzen - Vergleich der Aspekte des Exponentialmodells und der numerischen Umsetzung in DUMUX - Kalibrierung des DUMUX-Modells - Visualisierung der Ergebnisse und Diskussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Claus Haslauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Methodische Optimierung der Raum- und Stundenpläne für alle Studiengänge der Fakultät 02
Stundenpläne in Studiengängen sollten für alle beteiligten Studierenden und Dozierenden optimal sein, doch was bedeutet das? Möglichst lückenfrei, überschneidungsfrei, angenehme Pausen, möglichst alle Veranstaltungen in Vaihingen, nicht zu früher Beginn, nicht zu spät in den Abend, richtige Größe und Ausstattung der Hörsäle, und so weiter.
Schwierig wird das aus mehreren Gründen: (1) die zur Verfügung stehenden Räume sind begrenzt in Anzahl und Größe; (2) viele Studierende aus verschiedenen Studiengängen haben viele Wahlmöglichkeiten; (3) Vorlesungen werden über Studiengänge und Fakultäten hin ausgetauscht; (4) Dozierende haben außer Lehre auch andere Verpflichtungen; (5) Studiengänge ändern sich in ihren Größen und verändern damit ihren Raumbedarf; (6) angebotene Vorlesungen ändern sich im Laufe der Zeit; (7) zu Semesterbeginn kommen 800 Studierende ins Audimax, aber nach einigen Wochen würde eigentlich ein kleinerer Hörsaal ausreichen, und so weiter.
Die Fakultät 2 möchte ihren Studierenden und Dozierenden bei begrenztem Raum-Angebot trotz allem bessere Stundenpläne bieten. Dies kann mit einer globalen Optimierung gelingen. Dafür muss ein Optimierungsmodell (was ist gut, was ist schlecht) erstellt werden, realistische Daten erhoben und verwendet werden, geeignete Algorithmen ausgewählt, programmiert und angewandt werden. Je nach Qualifikation und Interesse kann die Arbeit ehr methodisch/algorithmisch oder ehr angewandt gestaltet werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Grundkenntnisse Optimierung - Programmierkenntnisse (z.B. MATLAB, Python) - Hohe Selbständigkeit |
| Lernziel: | - Einlesen in das Thema: Stundenplan-Optimierung, Algorithmen - Formulierung eines Optimierungsmodells (was ist wie wünschenswert) - Auswahl und Implementierung eines geeigneten Algorithmus - Erhebung und Verwendung sinnvoller Daten (Räume, Vorlesungen, Belegungen) - Diskussion der Ergebnisse und Erstellung von Handlungsempfehlungen |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Methodische Optimierung der Raum- und Stundenpläne für alle Studiengänge der Fakultät 02
Stundenpläne in Studiengängen sollten für alle beteiligten Studierenden und Dozierenden optimal sein, doch was bedeutet das? Möglichst lückenfrei, überschneidungsfrei, angenehme Pausen, möglichst alle Veranstaltungen in Vaihingen, nicht zu früher Beginn, nicht zu spät in den Abend, richtige Größe und Ausstattung der Hörsäle, und so weiter.
Schwierig wird das aus mehreren Gründen: (1) die zur Verfügung stehenden Räume sind begrenzt in Anzahl und Größe; (2) viele Studierende aus verschiedenen Studiengängen haben viele Wahlmöglichkeiten; (3) Vorlesungen werden über Studiengänge und Fakultäten hin ausgetauscht; (4) Dozierende haben außer Lehre auch andere Verpflichtungen; (5) Studiengänge ändern sich in ihren Größen und verändern damit ihren Raumbedarf; (6) angebotene Vorlesungen ändern sich im Laufe der Zeit; (7) zu Semesterbeginn kommen 800 Studierende ins Audimax, aber nach einigen Wochen würde eigentlich ein kleinerer Hörsaal ausreichen, und so weiter.
Die Fakultät 2 möchte ihren Studierenden und Dozierenden bei begrenztem Raum-Angebot trotz allem bessere Stundenpläne bieten. Dies kann mit einer globalen Optimierung gelingen. Dafür muss ein Optimierungsmodell (was ist gut, was ist schlecht) erstellt werden, realistische Daten erhoben und verwendet werden, geeignete Algorithmen ausgewählt, programmiert und angewandt werden. Je nach Qualifikation und Interesse kann die Arbeit ehr methodisch/algorithmisch oder ehr angewandt gestaltet werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Grundkenntnisse Optimierung - Programmierkenntnisse (z.B. MATLAB, Python) - Hohe Selbständigkeit |
| Lernziel: | - Einlesen in das Thema: Stundenplan-Optimierung, Algorithmen - Formulierung eines Optimierungsmodells (was ist wie wünschenswert) - Auswahl und Implementierung eines geeigneten Algorithmus - Erhebung und Verwendung sinnvoller Daten (Räume, Vorlesungen, Belegungen) - Diskussion der Ergebnisse und Erstellung von Handlungsempfehlungen |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Masterarbeitsthemen im Bereich Hydrologie, Wasser- und Umweltsystemmodellerierung
Der Lehrstuhl (LS3) ist Teil des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung (IWS). Wir sind ein internationales Team aus verschiedenen Bereichen der Wissenschaft. Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf Hydrologie (z.B. Hydrologische Modellierungen, Geostatistik, Niederschlagsmessung und -simulation), auf Ressourcen im natürlichen Untergrund (z.B. Grundwasser, Erdgas, Gasspeicherung), und auf Systemen im Umfeld der Energieproduktion (z.B. CO2-Speicherung, Geothermie, Energiesystemplanung).
Im Rahmen von Forschungsprojekten und Promotionen in den o.g. Bereichen haben wir eine Vielzahl von möglichen Themen für Abschlussarbeiten anbieten. Aktuelle Themenfelder umfassen die Niederschlagsmessung mittel sogenannter opportunistischen Sensoren, Raum-Zeit-Geostatistik sowie interpretierbares maschinelles Lernen im Bereich der Hydrologie.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Abschluss (B.Sc.) im Bereich Umweltschutztechnik, Bauingenieurwesen oder SimTech - Gute Grundlagen in Mathematik und Statistik - Programmiererfahrung, idealerweise in Matlab oder Python |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Jochen Seidel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Deep-aPC-NN vs. Kolmogorov Arnold Networks (KAN)
In den letzten Monaten haben sich Kolmogorov-Arnold-Netze (KAN) zu einem wichtigen Thema entwickelt. Sie teilen einige Merkmale und grundlegende Ideen mit unseren eigenen tief-arbiträren polynomialen Chaosnetzen (deep-aPC-NN). Beide Netzwerktypen zu verstehen und dann ihre Ähnlichkeiten, Parallelen und Unterschiede zu dokumentieren, ist der erste Teil der vorgeschlagenen Arbeit. In einem parallelen Arbeitspaket sollten die verfügbaren Implementierungen genutzt werden, um ihre jeweiligen Leistungen bei sinnvoll ausgewählten Benchmark-Problemen zu bewerten. Von besonderem Interesse sind dabei Vergleiche der Robustheit und Anpassungsfähigkeit der beiden Netzwerktypen hinsichtlich verschiedener Problemtypen.
Wenn Sie Interesse oder eigene Ideen zu diesem Thema haben, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren!
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Interesse an neuronalen Netzwerken - Programmiererfahrung |
| Lernziel: | - Kennenlernen von KANs und deep-aPC-NN - Systematischer Vergleich der beiden Netzwerktypen - Auswahl von sinnvollen Benchmarking-Problemen - Anwendung der verfügbaren Implementierungen - Diskussion der Benchmarking-Ergebnisse |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Sergey Oladyshkin E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Sampling mit Noisy Gradients
Die Stichprobenziehung aus einer Verteilung ist ein wichtiger Schritt in einem Bayes'schen Schlussfolgerungsworkflow. In vielen Kontexten kann man davon ausgehen, dass auch Informationen über den Gradienten der nicht normalisierten Dichtefunktion verfügbar sind, insbesondere seit dem Aufkommen der automatischen Differenzierung (AD). Viele Stichprobenalgorithmen (wie Hamiltonian Monte Carlo) nutzen diese zusätzlichen Informationen, um die Effizienz zu erhöhen. Bei komplexen Modellen, aus denen sich die Dichtefunktion ergibt, kann es jedoch vorkommen, dass ein gewisses (numerisches) Rauschen vorhanden ist, das sich auch in den Gradienten niederschlägt.
Ziel dieser Arbeit ist es, numerische Experimente zu entwerfen und durchzuführen, um die Robustheit verschiedener gradientenbasierter Sampling-Algorithmen gegenüber solchem Rauschen zu bewerten. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Literaturrecherche durchgeführt, um Algorithmen von Interesse zu identifizieren. Diese werden dann implementiert oder aus bestehenden Bibliotheken importiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Vergleichbarkeit gelegt wird. Nützliche Charakterisierungen von „Robustheit“ und „Verrauschtheit“ müssen entwickelt werden, um schließlich erwünschte und unerwünschte Eigenschaften der Algorithmen feststellen zu können. Eine erfolgreiche Durchführung dieser Arbeit wird voraussichtlich zu einer Beteiligung an einer Veröffentlichung führen.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Wissenschaftliche Programmierung - Grundkenntnisse in Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung |
| Lernziel: | - Literaturübersicht über Stichprobenalgorithmen - Definition der gewünschten algorithmischen Eigenschaften - Implementierung von Stichprobenalgorithmen - Entwurf von numerischen Experimenten - Visualisierung der Ergebnisse und Diskussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Sampling mit Noisy Gradients
Die Stichprobenziehung aus einer Verteilung ist ein wichtiger Schritt in einem Bayes'schen Schlussfolgerungsworkflow. In vielen Kontexten kann man davon ausgehen, dass auch Informationen über den Gradienten der nicht normalisierten Dichtefunktion verfügbar sind, insbesondere seit dem Aufkommen der automatischen Differenzierung (AD). Viele Stichprobenalgorithmen (wie Hamiltonian Monte Carlo) nutzen diese zusätzlichen Informationen, um die Effizienz zu erhöhen. Bei komplexen Modellen, aus denen sich die Dichtefunktion ergibt, kann es jedoch vorkommen, dass ein gewisses (numerisches) Rauschen vorhanden ist, das sich auch in den Gradienten niederschlägt.
Ziel dieser Arbeit ist es, numerische Experimente zu entwerfen und durchzuführen, um die Robustheit verschiedener gradientenbasierter Sampling-Algorithmen gegenüber solchem Rauschen zu bewerten. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Literaturrecherche durchgeführt, um Algorithmen von Interesse zu identifizieren. Diese werden dann implementiert oder aus bestehenden Bibliotheken importiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Vergleichbarkeit gelegt wird. Nützliche Charakterisierungen von „Robustheit“ und „Verrauschtheit“ müssen entwickelt werden, um schließlich erwünschte und unerwünschte Eigenschaften der Algorithmen feststellen zu können. Eine erfolgreiche Durchführung dieser Arbeit wird voraussichtlich zu einer Beteiligung an einer Veröffentlichung führen.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Wissenschaftliche Programmierung - Grundkenntnisse in Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung |
| Lernziel: | - Literaturübersicht über Stichprobenalgorithmen - Definition der gewünschten algorithmischen Eigenschaften - Implementierung von Stichprobenalgorithmen - Entwurf von numerischen Experimenten - Visualisierung der Ergebnisse und Diskussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Vorhersage von Riss-Statistiken
Keine zwei Brüche sehen gleich aus, und in der Praxis erweist sich die Vorhersage des genauen Bruchverlaufs als nahezu unmöglich. Nichtsdestotrotz ist es wichtig, einige Merkmale von Brüchen zu kennen. Ein Beispiel: In einem geothermischen Kraftwerk ist eine große Oberfläche der Klüfte von Vorteil, um viel Wärme auszutauschen.
In dieser Arbeit wollen wir den Mechanical-MNIST Crack Path-Datensatz nutzen, um stochastische Eigenschaften von Brüchen vorherzusagen. Im Gegensatz zu vielen anderen Ansätzen beinhaltet dies keine punktuelle Vorhersage von einer Eingangskonfiguration zu einem Risspfad.
Der Aufbau des Mechanical-MNIST analog zum berühmten MNIST vereinfacht das schnelle Prototyping. Je nach den spezifischen Interessen des Studenten und dem Umfang der Arbeit können verschiedene Methoden des maschinellen Lernens ausprobiert werden. Von einfachen CNNs, über komplexere VAEs und Normalizing Flows bis hin zu klassischen ML-Methoden wie Random Forests oder GPR ist hier vieles möglich.
Viele der bildbasierten Nachbearbeitungsschritte (Auswertung der Krümmung, Skelettierung, etc.) sind bereits aus einem früheren Projekt implementiert, aber eine Erweiterung dieser Bibliothek ist möglich, wenn sie mit den Interessen des Schülers übereinstimmt.
Das Projekt ist für alle Stufen von Diplomarbeiten offen: Ein erster Kontakt mit neuronalen Netzen auf einem gut kuratierten Datensatz oder ein tieferes Eintauchen in fortgeschrittene Methoden für Vorhersagen mit Verteilungen.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Computerprogrammierung, vorzugsweise Julia oder Python - Solides Verständnis von Statistik - Interesse an ML-Methoden |
| Lernziel: | - eine Literaturrecherche zu ML-Methoden, die für das vorliegende Problem in Frage kommen - Implementierung von mindestens einer ML-Methode - Bewertung der Qualität der Ergebnisse |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Vorhersage von Riss-Statistiken
Keine zwei Brüche sehen gleich aus, und in der Praxis erweist sich die Vorhersage des genauen Bruchverlaufs als nahezu unmöglich. Nichtsdestotrotz ist es wichtig, einige Merkmale von Brüchen zu kennen. Ein Beispiel: In einem geothermischen Kraftwerk ist eine große Oberfläche der Klüfte von Vorteil, um viel Wärme auszutauschen.
In dieser Arbeit wollen wir den Mechanical-MNIST Crack Path-Datensatz nutzen, um stochastische Eigenschaften von Brüchen vorherzusagen. Im Gegensatz zu vielen anderen Ansätzen beinhaltet dies keine punktuelle Vorhersage von einer Eingangskonfiguration zu einem Risspfad.
Der Aufbau des Mechanical-MNIST analog zum berühmten MNIST vereinfacht das schnelle Prototyping. Je nach den spezifischen Interessen des Studenten und dem Umfang der Arbeit können verschiedene Methoden des maschinellen Lernens ausprobiert werden. Von einfachen CNNs, über komplexere VAEs und Normalizing Flows bis hin zu klassischen ML-Methoden wie Random Forests oder GPR ist hier vieles möglich.
Viele der bildbasierten Nachbearbeitungsschritte (Auswertung der Krümmung, Skelettierung, etc.) sind bereits aus einem früheren Projekt implementiert, aber eine Erweiterung dieser Bibliothek ist möglich, wenn sie mit den Interessen des Schülers übereinstimmt.
Das Projekt ist für alle Stufen von Diplomarbeiten offen: Ein erster Kontakt mit neuronalen Netzen auf einem gut kuratierten Datensatz oder ein tieferes Eintauchen in fortgeschrittene Methoden für Vorhersagen mit Verteilungen.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Computerprogrammierung, vorzugsweise Julia oder Python - Solides Verständnis von Statistik - Interesse an ML-Methoden |
| Lernziel: | - eine Literaturrecherche zu ML-Methoden, die für das vorliegende Problem in Frage kommen - Implementierung von mindestens einer ML-Methode - Bewertung der Qualität der Ergebnisse |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Robotic Scrub Nurse als Assistenzsystem zur Handhabung chirurgischer Instrumente: Objektverfolgung, Bahnplanung und Mensch-Roboter-Kollaboration
Der Mangel an Fachpersonal im Gesundheitssektor motiviert die Automatisierung repetitiver Tätigkeiten und einfacher Arbeitsschritte. Um Personal zu entlasten und Kapazitäten für komplexe und wichtige Tätigkeiten freizuhalten, soll in dieser Arbeit ein Assistenzsystem zur Handhabung von Instrumenten während chirurgischer Prozeduren weiterentwickelt werden. Im klinischen Alltag wird diese Tätigkeit aktuell von operationstechnischen Assistent:innen (OTA) bewältigt. Das Anreichen und Entgegennehmen von Instrumentarium und chirurgischem Verbrauchsmaterial stellt dabei eine mentale und physische Belastung dar. Es bestehen Anforderungen wie z.B. hinsichtlich der Unterscheidung von sterilem und nicht sterilem Material und dem begrenzten Platzbedarf im Operationsbereich. Für viele dieser Herausforderungen erscheint ein robotisches Assistenzsystem als geeignete Lösung. Am IMT wird aktuell ein robotisches Assistenzsystem entwickelt und aufgebaut, dass die Handhabung verschiedenster Instrumente und Materialien ermöglicht. Grundlage des Systems ist ein kollaborativer Roboter der Firma Franka Emika, ein Granular Jamming Gripper, um verschieden geformte Gegenstände greifen zu können, und eine bildbasierte Identifikation von chirurgischen Instrumenten.
In dieser Arbeit soll die kollaborative Zusammenarbeit zwischen dem robotischen Assistenzsystem und einer menschlichen OTA vorangetrieben werden. Dazu sollen die Objekterkennung, Objektverfolgung und der Transfer von Objekten durch das robotische System als Anwendungsszenario dienen. Zur Übergabe eines gewünschten Objekts soll das System auf einfache Spracheingaben reagieren können. Weiterhin soll das robotische Assistenzsystem in der Lage sein, chirurgische Instrumente zu erkennen, zu lokalisieren und zu verfolgen. Dabei soll es mit einer menschlichen OTA kollaborieren können, also während des Betriebs auf Veränderungen auf dem Instrumententisch reagieren und Arbeitsraumbegrenzungen einhalten können. Nach erfolgter Implementierung sollen alle Funktionen umfassend erprobt und iterativ verbessert werden. Die zentrale Zielstellung ist das Erreichen einer flüssig ablaufenden Zusammenarbeit zwischen robotischem Assistenzsystem und menschlicher OTA im Anwendungsszenario der Erkennung, Verfolgung und Transfer von chirurgischen Instrumenten auf dem Instrumententisch.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Untersuchung des Einflusses des Sensordesigns auf die Gewebeeindringtiefe am Beispiel der Ödemdetektion bei Präeklampsie
Präeklampsie ist eine schwerwiegende Schwangerschaftskomplikation, die typischerweise nach der 20. Schwangerschaftswoche auftritt und durch Bluthochdruck sowie Organschäden gekennzeichnet ist. Zu den häufigsten Symptomen gehören Kopfschmerzen, Schwellungen, insbesondere in den Händen und im Gesicht, sowie Sehstörungen und Bauchschmerzen. Eine frühzeitige Erkennung und Überwachung der Symptome sind entscheidend, um schwerwiegende Folgen für die Mutter und das Kind zu vermeiden. Die Absorptionsspektroskopie ist eine nicht-invasive Methode, die es ermöglicht, die chemische Zusammensetzung von Geweben zu analysieren, indem sie die Absorption von Licht in verschiedenen Wellenlängen misst. Diese Technologie könnte potenziell zur frühzeitigen Erkennung von Ödemen bei Präeklampsie eingesetzt werden, indem sie Veränderungen im Gewebe erfasst und analysiert. In dieser Arbeit soll der Zusammenhang zwischen dem Abstand von LED und Photodiode in einem Prototyp eines portablen nicht-invasiven Messgerätes und der Detektionstiefe im Gewebe experimentell untersucht werden. Hierzu sollen vorhandene Silikonfingermodelle verwendet werden, welche variable aber definierte Wassermengen im Lichtweg ermöglichen. Die gewonnenen Daten sollen anschließend ausgewertet werden, um Parameter für eine präzise Ödemerkennung zu identifizieren.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Experimentelle Untersuchung von schergetriebenen Wandfilmen in einem rechteckigen Kanal
In den Bestrebungen eine Reduktion von Schadstoffemissionen und deren Klimawirkung zu erzielen, werden kontinuierlich neue Triebwerkskonzepte entwickelt. Ein Konzept stellt der Water-Enhanced Turbofan (WET) dar, bei welchem ein Dampfkraftprozess in den Gasturbinenprozess (Cheng cycle) integriert ist. Hierdurch erhöht sich der Wassergehalt in der Abgasströmung. Für eine effiziente Integration muss die Wasserrückgewinnung, aus dem tropfen-beladenen Abgasstrahl, optimiert werden. Hierfür soll in einem Grundlagenversuch am ITLR die Filmdicke eines entstehenden Wandfilms, mittels eines konfokal chromatischen Sensors, untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollen Messungen verschiedener Betriebspunkte am Boden, sowie den beiden Seitenwänden des Kanals durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollen zusätzlich mit Korrelationen aus der Literatur verglichen werden und dienen der Unterstützung für numerische Modellbildung.
Bei Interesse bitte direkt eine E-Mail an manuel.zimmermann@itlr.uni-stuttgart.de schicken. Die Bewerbung über das Portal funktioniert leider nicht.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Strukturierte und selbstorganisierte Arbeitsweise - Interesse an experimentellem Arbeiten - MATLAB Kenntnisse sind von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich - Vorkenntnisse im Bereich der Mehrphasenströmungen sind von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich |
| Lernziel: | Ziel ist es ein tieferes Verständnis für schergetriebene Wandfilme und deren Dimensionen zu gewinnen. Hieraus gewonnene Erkenntnisse sollen bei der Validierung der Numerik |
| Einrichtung: | Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (060700) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Bernhard Weigand E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Experimentelle Untersuchung von schergetriebenen Wandfilmen in einem rechteckigen Kanal
In den Bestrebungen eine Reduktion von Schadstoffemissionen und deren Klimawirkung zu erzielen, werden kontinuierlich neue Triebwerkskonzepte entwickelt. Ein Konzept stellt der Water-Enhanced Turbofan (WET) dar, bei welchem ein Dampfkraftprozess in den Gasturbinenprozess (Cheng cycle) integriert ist. Hierdurch erhöht sich der Wassergehalt in der Abgasströmung. Für eine effiziente Integration muss die Wasserrückgewinnung, aus dem tropfen-beladenen Abgasstrahl, optimiert werden. Hierfür soll in einem Grundlagenversuch am ITLR die Filmdicke eines entstehenden Wandfilms, mittels eines konfokal chromatischen Sensors, untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit sollen Messungen verschiedener Betriebspunkte am Boden, sowie den beiden Seitenwänden des Kanals durchgeführt werden. Die Ergebnisse sollen zusätzlich mit Korrelationen aus der Literatur verglichen werden und dienen der Unterstützung für numerische Modellbildung.
Bei Interesse bitte direkt eine E-Mail an manuel.zimmermann@itlr.uni-stuttgart.de schicken. Die Bewerbung über das Portal funktioniert leider nicht.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Strukturierte und selbstorganisierte Arbeitsweise - Interesse an experimentellem Arbeiten - MATLAB Kenntnisse sind von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich - Vorkenntnisse im Bereich der Mehrphasenströmungen sind von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich |
| Lernziel: | Ziel ist es ein tieferes Verständnis für schergetriebene Wandfilme und deren Dimensionen zu gewinnen. Hieraus gewonnene Erkenntnisse sollen bei der Validierung der Numerik |
| Einrichtung: | Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (060700) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Bernhard Weigand E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Inverse Design-getriebene Mannigfaltigkeitsrekonstruktion für beschränkte 3D-Geometrien
In computational geometry and engineering, three-dimensional objects are often represented as manifolds - mathematical structures that locally resemble Euclidean space. For deep-drawn sheet metal components, each individual geometry can be represented as a 2-manifold embedded in 3D space, where the manifold's intrinsic properties (curvature, metric tensor, etc.) determine the component's mechanical behavior. This leads to a manifold reconstruction problem: given desired functional properties, how do we reconstruct the specific manifold (geometry) that exhibits these characteristics? Unlike traditional geometric modeling where we design shapes directly, manifold reconstruction involves learning the mathematical structure that underlies the physical form.
Standard manifold reconstruction techniques focus on recovering geometry from data (point clouds, implicit functions, etc.). However, when we want a manifold with specific properties - particular stress distributions or mechanical responses like the springback effect- we face an inverse problem. Traditional optimization approaches encounter difficulties because the mapping from manifold parameters to functional properties is highly nonlinear and often non-convex. Gradient-based methods can produce manifolds that are mathematically valid but functionally poor, or worse, lead to optimization pathways that generate geometrically invalid results.
Your work investigates how to apply inverse design principles to guide the manifold reconstruction process. Rather than reconstructing any manifold that fits given data, you aim to reconstruct manifolds that satisfy specific metric constraints or functional requirements. The key insight is that the inverse design framework can serve as a constraint mechanism during reconstruction, ensuring that the resulting manifold not only represents a valid geometry but also exhibits the desired functional properties. This transforms manifold reconstruction from a purely geometric problem into a function-driven design process. This approach addresses the fundamental challenge of ensuring that reconstructed manifolds are both geometrically valid and functionally optimal - a critical requirement for applications in manufacturing and engineering design.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Automatisierungstechnik und Softwaresysteme (050110) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Michael Weyrich E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
3D CFD-Simulationen mit Hilfe von OpenFOAM
CFD-Simulationen sind in der Motorenentwicklung ein weit
verbreitetes Tool. Im Rahmen dieser Arbeiten soll die
Möglichkeit gegeben werden sich mit der 3-dimensionalen
numerischen Strömungsberechnung zu beschäftigen. Dabei ist
das Themenfeld breit gestreut, wie z. B. Verbrennung,
Einspritzung und Spraydynamik in einem turbulenten
Strömungsfeld, Turbulenzmodellierung, etc. In der Regel sollen
die numerischen Modelle an vereinfachten Detailexperimenten
validiert werden. Aber auch komplexe Berechnungen sind
möglich, wie z. B. die Simulation eines kompletten motorischen
Arbeitsspiel, einer Turbine, etc. Das verwendete CFD-Tool ist
der frei verfügbare OpenSource-Code OpenFOAM in einer
Linux-Umgebung.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | • Interesse an der numerischen Strömungssimulation • Gute Deutsch- oder Englischkenntnisse • Eigenständige und strukturierte Arbeitsweise |
| Einrichtung: | Fahrzeugtechnik Stuttgart (070800) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | André Casal Kulzer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Untersuchungen zum Einsatz von KI-Methoden in der virtuellen Antriebsstrangentwicklung
Das IFS stellt hinsichtlich der virtuellen Antriebsstrangentwicklung in den Bereichen 0D/1D
und 3D-Simulation ein renommiertes Kompetenzzentrum dar. Die stetige Weiterentwicklung
konventioneller Simulationswerkzeuge sowie der Einsatz innovativer Lösungsansätze tragen
zur Wahrung dieser Vorreiterstellung bei. Die Forschungsgruppe KI beschäftigt sich dazu mit
der Anwendung von KI-Methoden im Rahmen von 1D-Simulationen zur Auslegung von
Motorkonzepten. Die Interessensgebiete reichen beispielsweise von der Modellierung des
Brennraums bis hin zur automatisierten Optimierung von Brennverfahren. Um diese zu
verwirklichen werden unterschiedliche Methoden der künstlichen Intelligenz geprüft und
angewandt. Dieses spannende Forschungsfeld ermöglicht das Ableiten vieler indivdueller
Fragestellungen, welche in Form einer Bachelor-, Studien- und Masterarbeit bearbeitet
werden können. Die fortschreitende Entwicklung hausinterner Simulationswerkzeuge
ermöglicht Ihnen tiefe Einblicke in die Arbeitsumfänge eines modernen Ingenieurs. Die
Forschungsgruppe legt wert auf die intensive Betreuung der studentischen Arbeiten.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | • Interesse an der 0D/1D Simulation • Begeisterung für den allgemeinen technischen Fortschritt im IT-Bereich • Interesse an Data Science • Eigenständige und strukturierte Arbeitsweise |
| Einrichtung: | Fahrzeugtechnik Stuttgart (070800) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | André Casal Kulzer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Untersuchungen zum Einsatz von KI-Methoden in der virtuellen Antriebsstrangentwicklung
Das IFS stellt hinsichtlich der virtuellen Antriebsstrangentwicklung in den Bereichen 0D/1D
und 3D-Simulation ein renommiertes Kompetenzzentrum dar. Die stetige Weiterentwicklung
konventioneller Simulationswerkzeuge sowie der Einsatz innovativer Lösungsansätze tragen
zur Wahrung dieser Vorreiterstellung bei. Die Forschungsgruppe KI beschäftigt sich dazu mit
der Anwendung von KI-Methoden im Rahmen von 1D-Simulationen zur Auslegung von
Motorkonzepten. Die Interessensgebiete reichen beispielsweise von der Modellierung des
Brennraums bis hin zur automatisierten Optimierung von Brennverfahren. Um diese zu
verwirklichen werden unterschiedliche Methoden der künstlichen Intelligenz geprüft und
angewandt. Dieses spannende Forschungsfeld ermöglicht das Ableiten vieler indivdueller
Fragestellungen, welche in Form einer Bachelor-, Studien- und Masterarbeit bearbeitet
werden können. Die fortschreitende Entwicklung hausinterner Simulationswerkzeuge
ermöglicht Ihnen tiefe Einblicke in die Arbeitsumfänge eines modernen Ingenieurs. Die
Forschungsgruppe legt wert auf die intensive Betreuung der studentischen Arbeiten.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | • Interesse an der 0D/1D Simulation • Begeisterung für den allgemeinen technischen Fortschritt im IT-Bereich • Interesse an Data Science • Eigenständige und strukturierte Arbeitsweise |
| Einrichtung: | Fahrzeugtechnik Stuttgart (070800) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | André Casal Kulzer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
3D CFD-Simulationen mit Hilfe von OpenFOAM
CFD-Simulationen sind in der Motorenentwicklung ein weit
verbreitetes Tool. Im Rahmen dieser Arbeiten soll die
Möglichkeit gegeben werden sich mit der 3-dimensionalen
numerischen Strömungsberechnung zu beschäftigen. Dabei ist
das Themenfeld breit gestreut, wie z. B. Verbrennung,
Einspritzung und Spraydynamik in einem turbulenten
Strömungsfeld, Turbulenzmodellierung, etc. In der Regel sollen
die numerischen Modelle an vereinfachten Detailexperimenten
validiert werden. Aber auch komplexe Berechnungen sind
möglich, wie z. B. die Simulation eines kompletten motorischen
Arbeitsspiel, einer Turbine, etc. Das verwendete CFD-Tool ist
der frei verfügbare OpenSource-Code OpenFOAM in einer
Linux-Umgebung.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | • Interesse an der numerischen Strömungssimulation • Gute Deutsch- oder Englischkenntnisse • Eigenständige und strukturierte Arbeitsweise |
| Einrichtung: | Fahrzeugtechnik Stuttgart (070800) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | André Casal Kulzer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Roboterassistierte Endoskopie: Konzeption und Implementierung einer intraluminalen Richtungssteuerungseinheit
Am IMT wird an einem neuartigen, expandierenden Koloskop geforscht, welches als Alternative zu herkömmlichen Endoskopen dienen und die Koloskopie automatisieren soll. Die verwendete Technologie basiert auf sogenannten „Everting Robots“. Das Längenwachstum des Roboters findet ausschließlich an der distalen Spitze des Roboters statt, wodurch das bisherige Abstützen an der Darmwand und die Relativbewegung beim Vorschub des Koloskops vermieden werden soll. Durch die Verringerung der Belastungen wird sich eine Reduzierung der intra- und postoperativen Schmerzen erhofft.
Vorarbeiten haben gezeigt, dass für das Vorankommen im Darm eine in den Roboterkörper integrierte Richtungssteuerung unabdingbar ist. Aktuell werden unterschiedliche Konzepte zur Realisierung der Richtungssteuerung untersucht. Dazu zählen die Richtungssteuerung über Pneumatic Artifical Muscles (PAMs), ein System im Roboterlumen und einem externen Richtungseinleitungstool.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Anforderungen: - Hohe Eigenmotivation und Bereitschaft, sich in neue Themenbereiche einzuarbeiten - Analytische Herangehensweise, Selbstständigkeit und Zuverlässigkeit - Grundkenntnisse/Interesse an Medizinrobotik, Gerätekonstruktion, Sensorik, praktischem Arbeiten im Mechatronik-Labor |
| Lernziel: | In dieser Arbeit soll gezielt die Entwicklung einer intraluminale Aktuationseinheit zur gezielten Richtungslenkung bearbeitet werden. Mögliche Teilaufgaben sind: - Einarbeitung in das bestehende System - Untersuchung und Bewertung bisheriger Steuerungskonzepte - Systematische Entwicklung einer intraluminalen Aktuationseinheit und Implementierung in den bestehenden Prüfstand - Konzept zur Ansteuerung der Einheit sowie ggfs. die Integration in die bestehende Steuerungsarchitektur - Experimentelle Validierung |
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Entwicklung und Validierung von Strategien zur Steuerung des Vorschubs und Rückzugs eines Soft Everting Robot für die roboterassistierte Endoskopie
Flexible Endoskope sind der Goldstandard zur Diagnose und Therapie von Darmerkrankungen wie Darmkrebs. Erfolgt der Eingriff im Dickdarm, spricht man von einer Koloskopie. Diese trifft in der breiten Bevölkerung jedoch auf geringe Akzeptanz – vor allem wegen der Unannehmlichkeiten, die mit dem Eingriff verbunden sind.
Am IMT wird an einem neuartigen robotischen Koloskop geforscht (Abb. 1), das klassische Endoskope ersetzen und die Koloskopie automatisieren soll. Die zugrunde liegende Technologie basiert auf sogenannten „Everting Robots“. Ihr Längenwachstum erfolgt ausschließlich an der distalen Spitze (vgl. Abb. 2). Das Wachstumsprinzip soll die Belastung sowie intra- und postoperativen Schmerzen des Eingriffs reduzieren. Der Roboter wird pneumatisch aktuiert; gleichzeitig soll ein Arbeitskanal mitgeführt werden, der jedoch bislang schneller wächst als der Roboterkörper.
Vorarbeiten zeigen, dass für ein synchrones Wachstum von Roboter und Leitung eine gezielte Regelung des pneumatischen Vorschubs und Rückzugs notwendig ist. Dies soll über ein Proportional-Druckregelventil erfolgen.
In dieser Arbeit sollen Strategien zur Steuerung (z. B. kontinuierlich, gepulst, modular) entwickelt und erprobt werden, um reproduzierbare Bewegungen in verschiedenen Betriebszuständen zu ermöglichen. Dafür ist die Regelung des Gasdrucks zu charakterisieren und ggfs. anzupassen. Mögliche Teilaufgaben sind:
- Einarbeitung in das bestehende System
- Systematische Konzeptentwicklung der Steuerungsstrategien
- Implementierung und Parametrierung sowie Umsetzung der Regelung des Gasdrucks in einer geeigneten Steuerungsumgebung
- Experimentelle Validierung der Strategie
Anforderungen:
- Hohe Eigenmotivation, selbständige und zuverlässige Arbeitsweise
- Analytische Herangehensweise und strukturierte Problemlösungsansätze
- Interesse/ Grundkenntnisse in der Steuerungs- und Regelungstechnik, Erfahrungen mit Matlab/Simulink, Interesse am praktischen Arbeiten im Mechatroniklabor
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Untersuchung der Eignung verschiedener mikromechanischer Ultraschallwandler zur Ödemdetektion am Finger
In dieser Arbeit sollen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ENAS in Chemnitz verschiedene
Möglichkeiten der mikromechanischen Ultraschallwandlung auf ihr e Eignung zur Ödemdetektion
untersucht werden Hierfür dürfen im Rahmen der Masterarbeit sowohl die Labore des IMT als auch die
Labor e des Fraunhofer ENAS in Chemnitz genutzt werden. Während der Bearbeitungszeit sollen die
Veränderung in de n Gewebeeigenschaften des Fingers unter einer pathologischen Ödembildung erarbeite t
werden. Darauf basierend sollen die am Fraunhofer ENAS entwickelten CMUTs und PMUTs auf ihre Eignung
hin überprüft werden die se Gewebeveränderung zu detektieren. Im Anschluss soll ein erster Entwurf für
ein portables Ödemerkennungsgerät mit ausgewähltem Ultraschallwandler erarbeitet werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Entwicklung und Integration zweier sensorbasierter Prototypen zur kombinierten Symptomdetektion in einem Diagnosesystem
In dieser Arbeit sollen die bereits am Institut für Medizingerätetechnik vorhandenen Prototypen zur
Symptomdetektion bei Präeklampsie Erkrankungen zu einem portablen Prototyp kombiniert werden. Die
Blutdruckmessung findet mittels Photoplethysmographie und die Ödemerkennung mittels
Absorptionsspektroskopie statt. Zusätzlich gibt es am IMT einen Prototypen zur optischen Ermittlung der
Kapillardichte in der Nagelfalz. Diese Symptomdetektionen sollen in einem einzelnen Gerät
zusammengefasst werden und dieses entsprechend validiert werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Automatisierte Erkennung und Quantifizierung der Kapillardichte in der Nagelfalz mittels Künstlicher Intelligenz - Entwicklung eines bildbasierten Analyseverfahrens
In dieser Arbeit soll ein KI gestütztes Verfahren zur automatisierten Bestimmung der Kapillardichte in der Nagelfalz anhand von Bildmaterial entwickelt werden. Dazu sind vorhandene Bilddatensätze für das
Training eines neuronalen Netzwerks zu verwenden. Anschließend soll die Modellleistung durch geeignete
Metriken evaluiert werden. Ziel ist es, ein zuverlässiges und reproduzierbares System zur
Kapillardichteanalyse bereitzustellen.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Weiterentwicklung eines Prototyps zur nicht invasiven Messung der Kapillardichte am Finger bei Verdacht auf Präeklampsie
In dieser Arbeit soll der bereits am IMT vorhandene Prototyp zur portablen Kapillarmikroskopie
dahingehend weiterentwickelt werden, dass Fokussierung komplett automatisiert funktioniert und darüber
hinaus auch eine Anbindung an die bereits vorhandene App möglich ist Der Prototyp soll über die App
steuerbar sein und die entstandenen Aufnahmen sollen in der App abgespeichert werden. Der
Mechanismus der Fokussierung soll weitergehend optimiert werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Delphi Studie zur Bedarfsermittlung an ein nicht invasives Präeklampsie Früherkennungsgerät
In dieser Arbeit soll en für ein en Prototyp en zur Früherkennung von Symptomen, der am IMT entwickelt
wird, durch die Anwendung der Delphi Methode weitere Bedarfsinformationen ermitt elt werden. Zunächst
sind die Ergebnisse der ersten Delphi Runde auszuwerten, um daraus Anpassungen für die zweite
Befragungsrunde abzuleiten. Daraufhin ist ein überarbeiteter Fragebogen zu erstellen und in Form einer
Online Umfrage durchzuführen. Abschließend sollen die Ergebnisse der zweiten Runde ausgewertet und
mit denen der ersten Runde verglichen werden.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Ersatzmodelle PV-integrierter Verschattungen anhand tiefer neuronaler Netze
Diese Arbeit beginnt mit einer Literaturrecherche über vorhandene Ersatzmodellansätze und Regelungskonzepte von PV-integrierten Verschattungseinrichtungen. Anschließend werden unterschiedliche tiefe neuronale Netzwerkmodelle entwickelt und Hyperparameter identifiziert, und die Entwicklungsumgebung (z.B. Python, MATLAB) identifiziert. Die dazu notwendigen Trainingsdaten werden anhand eines bestehenden Rhino3D Grasshopper Plugins zur Verfügung gestellt. Bei entsprechender Neigung kann dieses Ersatzmodell zur Entwicklung optimierungsbasierter Regelungskonzepte angewandt werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Ein Vorwissen im Bereich maschineller Lernverfahren und Erfahrungen im Programmieren mit Python oder MATLAB ist vorteilhaft. |
| Einrichtung: | Akustik und Bauphysik (020800) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Philip Leistner E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Auswirkung von Plasmadichte-Störungen auf die Anregung elektrostatischer Wellen in magnetischen Plasmen
Plasmen ab einer bestimmten Elektronendichte sind für elektromagnetische Wellen nicht zugänglich. Um dennoch Energie in solche Plasmen einzukoppeln, bietet sich eine Anregung der elektrostatischen Elektron-Berstein-Welle (EBW) an. Diese wird praktisch vollständig an der Elektron-Zyklotron-Resonanz absorbiert, muss aber durch Modenkonversionsprozesse angeregt werden. Für sehr steile Plasmadichteprofile, bietet sich die sogenannte direkte X-B Konversion an. In dieser Arbeit soll zunächst untersucht werden, inwieweit am Institut vorhandene Codes, die erwarteten Kopplungskoeffizienten (nach verschiedenen Modellen) korrekt wiedergeben. Dann soll der Einfluss von Plasmadichtefluktuationen sowie im Anschluss eventuell noch von Magnetfeldfluktuationen auf die Kopplungseffizienz untersucht werden.
Es handelt sich um eine numerische Arbeit, Homeoffice ist nach Absprache möglich.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie (041400) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Alf Köhn-Seemann E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Static and dynamic zero baseline RTK analysis
Zero baseline RTK allows to compare the relative performance of two or more GNSS receivers. In this thesis projects static and dynamic zero baseline RTK solutions shall be computed with our analysis software INSTINCT. Based on e.g. on the Three-Cornered Hat method, the performance of individual GNSS receivers shall be investigated.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Navigation (062100) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Thomas Hobiger E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Routine GNSS processing of SAPOS stations
In this thesis, scripts for downloading and processing of GNSS SAPOS stations in Baden-Württemberg shall be written. Automated analysis (SPP and RTK) should be be carried out with our software INSTINCT. Python code which generate plots of different performance numbers shall be developed and tested.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Navigation (062100) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Thomas Hobiger E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Reinforcement Learning for Locomotion in Muscle-Driven Robotic Systems
Project description
To address the challenges of muscle-actuated systems in RL, we
propose a bioinspired curriculum learning approach. This method
involves learning tasks with increasing complexity, enabling agents to
systematically acquire skills in a structured and efficient manner, akin to
biological development. Students will focus on developing and
implementing automatic curricula inspired by human developmental
stages, such as growth, to enhance locomotion in muscle-actuated
systems. Additionally, the project seeks to refine the reward
mechanisms within the RL algorithm to better reflect the dynamics of
muscle-driven control.
This project offers an opportunity to enhance technical and software
skills, while working on cutting-edge research in biomechanics,
robotics, and artificial intelligence. Depending on the student’s role and
interest, specific research questions can be addressed to deepen their
learning experience.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Computational Biophysics and Biorobotics (021820) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Syn Schmitt E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Reinforcement Learning for Locomotion in Muscle-Driven Robotic Systems
Project description
To address the challenges of muscle-actuated systems in RL, we
propose a bioinspired curriculum learning approach. This method
involves learning tasks with increasing complexity, enabling agents to
systematically acquire skills in a structured and efficient manner, akin to
biological development. Students will focus on developing and
implementing automatic curricula inspired by human developmental
stages, such as growth, to enhance locomotion in muscle-actuated
systems. Additionally, the project seeks to refine the reward
mechanisms within the RL algorithm to better reflect the dynamics of
muscle-driven control.
This project offers an opportunity to enhance technical and software
skills, while working on cutting-edge research in biomechanics,
robotics, and artificial intelligence. Depending on the student’s role and
interest, specific research questions can be addressed to deepen their
learning experience.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Computational Biophysics and Biorobotics (021820) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Syn Schmitt E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Teaching a Muscle-Driven Arm Robot to Write
Description
The project aims to investigate whether our arm robot is capable of dexterous movements, such as writing letters or drawing simple images. This should be realized by applying well-established reinforcement learning techniques. Specifically, the reward mechanism of our existing algorithm must be enhanced to encourage the arm to follow a given trajectory.
Passion for working with software and hardware, as well as the motivation to improve technical skills, are essential for successful participation in this project. Very basic knowledge of reinforcement learning techniques and training in machine learning in general can be helpful.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Computational Biophysics and Biorobotics (021820) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Syn Schmitt E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Teaching a Muscle-Driven Arm Robot to Write
Description
The project aims to investigate whether our arm robot is capable of dexterous movements, such as writing letters or drawing simple images. This should be realized by applying well-established reinforcement learning techniques. Specifically, the reward mechanism of our existing algorithm must be enhanced to encourage the arm to follow a given trajectory.
Passion for working with software and hardware, as well as the motivation to improve technical skills, are essential for successful participation in this project. Very basic knowledge of reinforcement learning techniques and training in machine learning in general can be helpful.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Computational Biophysics and Biorobotics (021820) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Syn Schmitt E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Integer ambiguity resolution based on multiple model adaptive estimation
In this thesis project it should be studied whether it is possible to use multiple model adaptive estimation (MMAE), respectively Kalman filter banks, with the purpose to implement an integer ambiguity resolution algorithm which is not based on de-correlation techniques.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Navigation (062100) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Thomas Hobiger E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Implementation of an Iterated Extended Kalman Filter in INSTINCT
The Iterated Extended Kalman Filter (IEKF) should be implemented in our in-house navigation software INSTINCT. The algorithm should be tested and then compared against the classic EKR which is currently used in the software.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | C++ |
| Einrichtung: | Navigation (062100) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Thomas Hobiger E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Testing of low-cost sensors for their applicability in geohydrologic, scientific experiments
A variety of low-cost sensors exist that wait to be exploited for geohydrological applications:
- soil moisture sensors
- scales in python or with arduino
- temperature sensors
- CO2 sensors
and many more.
The broad goal of this thesis is to evaluate to what extent sensors driven from the maker:space are suitable for geohydrologic investigations such as thermal in-situ remediation systems
.
Prospective Tasks
- Establish setups of novel measurements and compare to
- established measurement techniques
- The specifics will be determined jointly
- Visualization and statistical analysis of results and discussion
Desireable Skills
- some experience in python and electronics (raspberry,
- microcontrollers) would be ideal
- Interest in practical work
- Motivated and creative thinking
Supervisor : PhD-student: Anna Burkhardt
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (021499) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Claus Haslauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Testing of low-cost sensors for their applicability in geohydrologic, scientific experiments
A variety of low-cost sensors exist that wait to be exploited for geohydrological applications:
- soil moisture sensors
- scales in python or with arduino
- temperature sensors
- CO2 sensors
and many more.
The broad goal of this thesis is to evaluate to what extent sensors driven from the maker:space are suitable for geohydrologic investigations such as thermal in-situ remediation systems
.
Prospective Tasks
- Establish setups of novel measurements and compare to
- established measurement techniques
- The specifics will be determined jointly
- Visualization and statistical analysis of results and discussion
Desireable Skills
- some experience in python and electronics (raspberry,
- microcontrollers) would be ideal
- Interest in practical work
- Motivated and creative thinking
Supervisor : PhD-student: Anna Burkhardt
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (021499) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Claus Haslauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Ermittlung der Zugfestigkeit von biologisch-technischen Materialverbünden
Patientenspezifische Implantate für die Rekonstruktion des Thorax können mit Hilfe von biokompatiblen Materialien im 3D-Druck hergestellt werden. Zur Erhöhung der Festigkeit aber auch für die Wiederherstellung der Funktion können Materialverbünde aus Kollagenmatrix und PLA eine sinnvolle Ergänzung darstellen. Allerdings kann das heiße PLA währendddes Drucks die Kollagenmatrix beschädigen und die Spannungsverteilung im Zugversuch negativ beeinflussen. Am IMT wird in diesem Bereich geforscht und Grundlagen für eine Modellierung solcher Verbünde geschaffen. Die Arbeiten erfolgen in Kooperation mit der Universitätsmedizin Mainz (Prof. Dr. Rößner).
Ziel der Arbeit ist das Design und die Durchführung einer Reihe von Zugversuchen mit Kollagenmatrix, die mit PLA bedruckt wurde. Dazu stehen am IMT Drucker, Lasercutter und eine Universalprüfmaschine zur Verfügung. Zu variierende Parameter sind beispielsweise die Geometrie des Drucks, Druck-Temperaturen und Belastungsrichtungen. Das Studiendesign und die Durchführung der Experimente erfolgen in enger Abstimmung mit den Kollegen in Mainz.
Fachliche und persönliche Anforderungen
• Erste Erfahrungen mit CAD
• Spaß an experimenteller Arbeit
• Eigeninitiative, Selbstständigkeit und Kommunikationsfreude
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Interesse |
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Hardwareentwicklung eines bildgebenden Systems für das Tumorstaging bei Brustkrebs
Beim Tumorstaging von Brustkrebs wird häufig nuklearmedizinische Bildgebung verwendet, um mögliche Metastasen zu finden. Ein am IMT in derzeit entwickeltes Sensorsystem soll diesen Vorgang vereinfachen und somit zu einer geringeren Operationszeit und Strahlenbelastung für die Patientin sorgen. Die Detektion von Gammaquanten wird mittels Fotodioden realisiert. Eine spezielle Anordnung ermöglicht dabei die Lokalisierung von radioaktiv markierten Lymphknoten, welche für das Staging relevant sind. Das System soll Hardwaretechnisch ausgebaut und verbessert werden.
Mögliche Aufgaben:
Je nach Arbeit (BA, FA, MA), aktuellem Stand des Projekts, und Vorerfahrung kann eine oder mehrere der folgenden Aufgaben gewählt werden.
Entwicklung einer neuen Verstärkerschaltung zum Auslesen der Dioden.
Integration eines Zählsystems für die detektierten Quanten.
Entwicklung neuer Diodenkonzepte, um die Quanteneffizienz zu erhöhen.
Entwicklung von Platinen zur Integration an ein Ultraschallgerät
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Hardwareentwicklung eines bildgebenden Systems für das Tumorstaging bei Brustkrebs
Beim Tumorstaging von Brustkrebs wird häufig nuklearmedizinische Bildgebung verwendet, um mögliche Metastasen zu finden. Ein am IMT in derzeit entwickeltes Sensorsystem soll diesen Vorgang vereinfachen und somit zu einer geringeren Operationszeit und Strahlenbelastung für die Patientin sorgen. Die Detektion von Gammaquanten wird mittels Fotodioden realisiert. Eine spezielle Anordnung ermöglicht dabei die Lokalisierung von radioaktiv markierten Lymphknoten, welche für das Staging relevant sind. Das System soll Hardwaretechnisch ausgebaut und verbessert werden.
Mögliche Aufgaben:
Je nach Arbeit (BA, FA, MA), aktuellem Stand des Projekts, und Vorerfahrung kann eine oder mehrere der folgenden Aufgaben gewählt werden.
Entwicklung einer neuen Verstärkerschaltung zum Auslesen der Dioden.
Integration eines Zählsystems für die detektierten Quanten.
Entwicklung neuer Diodenkonzepte, um die Quanteneffizienz zu erhöhen.
Entwicklung von Platinen zur Integration an ein Ultraschallgerät
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Medizingerätetechnik (075300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Peter Pott E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Applying Deep Learning Models for Hydrological Simulations
This project focuses on applying deep learning tools to simulate watershed processes, which are known to be dynamic, complex, and exhibit high nonlinearity. Recent studies have demonstrated that deep learning models achieved better streamflow predictions than traditional hydrological models such as conceptual or process-based models. Despite these capabilities, these data-driven models struggle to represent intermediate watershed processes (e.g., infiltration and percolation) during streamflow simulation. These limitations arise because deep learning models lack explicit embedded physical principles in their structure.
Our research examines various deep learning structures capable of integrating mass balance equations as governing physical principles. Neural Ordinary Differential Equations (Neural ODE) and Mass-Conservative Long-Short-Term Memory Networks (MCLSTM) are viable choices for this purpose. This project work will explore the application of these model types through practical case studies. Our goal extends beyond making streamflow predictions for different catchments; we also seek to evaluate the model's effectiveness in predicting streamflow in catchments lacking sufficient hydrological data or having none at all.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Sergey Oladyshkin E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Applying Deep Learning Models for Hydrological Simulations
This project focuses on applying deep learning tools to simulate watershed processes, which are known to be dynamic, complex, and exhibit high nonlinearity. Recent studies have demonstrated that deep learning models achieved better streamflow predictions than traditional hydrological models such as conceptual or process-based models. Despite these capabilities, these data-driven models struggle to represent intermediate watershed processes (e.g., infiltration and percolation) during streamflow simulation. These limitations arise because deep learning models lack explicit embedded physical principles in their structure.
Our research examines various deep learning structures capable of integrating mass balance equations as governing physical principles. Neural Ordinary Differential Equations (Neural ODE) and Mass-Conservative Long-Short-Term Memory Networks (MCLSTM) are viable choices for this purpose. This project work will explore the application of these model types through practical case studies. Our goal extends beyond making streamflow predictions for different catchments; we also seek to evaluate the model's effectiveness in predicting streamflow in catchments lacking sufficient hydrological data or having none at all.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Sergey Oladyshkin E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Once and for All: A LEGO-like Reconfigurable Surrogate Model for Water Pipe Networks
Underground water pipelines are the backbone of our water sup-ply. Due to aging without timely renewal, hidden leaks continu-ally occur, posing serious challenges to water and energy con-servation. Inspired by echolocating animals like bats, emitting calls and using resulting echoes to locate and identify objects, transient (hydroacoustic) waves have been successfully used for localizing leaks in water pipe networks.
Transient wave-based leak localization is achieved by optimizing leak parame-ters within hydroacoustic numerical models to match measured echos. To reduce the computational burden in this optimization, surrogate models have been de-veloped for rapid predictions of wave signals. However, existing surrogate mod-els are typically trained for a specific fixed pipe network and require substantial re-training whenever they are applied to modified or new pipe networks.
Inspired by the composability of LEGO bricks, this project aims to develop a reconfigurable sur-rogate model for water pipe networks. Instead of retraining for each different pipe network from scratch, the surrogate model will be rapidly reconfigured from "surrogate LEGO blocks" to represent any new topology. The "blocks", representing fundamental pipe segments and junc-tions, are pre-trained by advanced graph neural networks (GNN) techniques. This "build once, reuse infinitely" paradigm eliminates the need for repeated physics-based simulations across diverse pipe networks.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Once and for All: A LEGO-like Reconfigurable Surrogate Model for Water Pipe Networks
Underground water pipelines are the backbone of our water sup-ply. Due to aging without timely renewal, hidden leaks continu-ally occur, posing serious challenges to water and energy con-servation. Inspired by echolocating animals like bats, emitting calls and using resulting echoes to locate and identify objects, transient (hydroacoustic) waves have been successfully used for localizing leaks in water pipe networks.
Transient wave-based leak localization is achieved by optimizing leak parame-ters within hydroacoustic numerical models to match measured echos. To reduce the computational burden in this optimization, surrogate models have been de-veloped for rapid predictions of wave signals. However, existing surrogate mod-els are typically trained for a specific fixed pipe network and require substantial re-training whenever they are applied to modified or new pipe networks.
Inspired by the composability of LEGO bricks, this project aims to develop a reconfigurable sur-rogate model for water pipe networks. Instead of retraining for each different pipe network from scratch, the surrogate model will be rapidly reconfigured from "surrogate LEGO blocks" to represent any new topology. The "blocks", representing fundamental pipe segments and junc-tions, are pre-trained by advanced graph neural networks (GNN) techniques. This "build once, reuse infinitely" paradigm eliminates the need for repeated physics-based simulations across diverse pipe networks.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Isotopic Fingerprints of PFAS: Development of a novel Forensic Analysis Method using Orbitrap Mass Spectrometry
M.Sc. Topic – Environmental Analytical Chemistry
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) pose a serious environmental threat due to their persistence, mobility, and toxicity. Despite increasing regulatory efforts, there is currently a lack of effective forensic tools to trace contamination sources and apply the polluter-pays principle. This master’s thesis aims to develop an innovative compound-specific isotope analysis (CSIA) method for PFAS using high-resolution Orbitrap mass spectrometry (HRMS). The focus will be on establishing reliable analytical protocols for selected PFAS starting with TFA, and potentially with PFBA, PFBS, PFOA and PFOS, with an emphasis on quantifying stable carbon (13C/12C), sulfur (34S/33S/32S) and oxygen (18O/16O) isotope ratios.
The thesis includes the systematic development of Orbitrap-based CSIA methods (optimizing ionization, scan parameters, and fragmentation behavior) for selected PFAS. The ultimate goal is to generate reproducible isotopic “fingerprints” that allow for source attribution dependent on production methods or degradation processes. The results will support environmental forensic investigations, help identify responsible polluters, and contribute to more targeted and effective remediation strategies. The master thesis offers a unique intersection of environmental chemistry, high-resolution mass spectrometry, and applied environmental science.
Prospective Tasks
- Literature review on CSIA, HRMS and the application of HRMS to measure stable isotopes.
- Systematic HRMS-CSIA method development for TFA (+ other compounds) and data evaluation
- Development of Step-by-Step guides to apply the methods
- Visualization of results and discussion
General Information
- The thesis can be co-advised/examined by a different department (e.g., chemistry)
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Desireable Skills - Background in environmental/ analytical chemistry (preparation of analytical standards, work with mass spectrometers), laboratory skills. Understanding of stable isotope principles (CSIA) is helpful but not mandatory; willingness to learn is essential - Innovative and critical thinking & scientific curiosity - Attention to detail and documentation (lab reports, thesis) - Communication Skills |
| Einrichtung: | Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (021499) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Tobias Junginger E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Unsicherheit des Datenregimes für maschinell gelernte Perzentile
Die Methode „Vorhersageintervalle aus drei neuronalen Netzen“[1] (PI3NN) ist ein kürzlich entwickelter und einfach anzuwendender Ansatz zum Erlernen von Vorhersageintervallen künstlicher neuronaler Netze (KNN).
Die geschätzten Perzentile in PI3NN werden global optimiert, ohne zwischen datenreichen, datenarmen und datenlosen Regionen zu unterscheiden. In Bereichen mit vielen Datenpunkten (d. h. hoher Datendichte) sollten die Perzentile jedoch mit größerer Sicherheit geschätzt werden, während sie in Bereichen mit weniger oder keinen Daten (d. h. geringer Datendichte) mit größerer Unsicherheit behaftet sind. Unser Ziel ist es, ein Konzept zur Schätzung der Unsicherheit der Perzentilkurven auf der Grundlage der lokalen Datendichte zu entwickeln.
Mögliche Forschungsfragen sind:
• Wie können Unsicherheitsgrenzen für ein gelerntes Perzentil auf der Grundlage der lokalen Datendichte berechnet werden? Wir planen, Kenntnisse über die Verteilung der Stichprobenvarianz in der lokalen Nachbarschaft zu nutzen, um solche Unsicherheitsgrenzen zu erstellen. Beispielsweise ist für eine bestimmte Stichprobengröße die Varianz der empirischen Median-Schätzung bekannt. Wir wollen dies auf beliebige Perzentile verallgemeinern.
• Wie sollten die Nachbarschaften definiert werden, um glatte und angemessen lokalisierte Unsicherheitsspannen zu erhalten?
Wir planen, mit einer einfachen 1D-künstlichen Fallstudie zu beginnen und den Ansatz optional auf komplexere Settings auszuweiten, wie z. B. höherdimensionale Eingaberaum und letztendlich LSTMs.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Scientific programming in Python - Interest in machine learning, statistics and probability theory |
| Lernziel: | - Familiarization with PI3NN - Case study setup with available code for PI3NN - Statistically based uncertainty bound calculation - Development and testing of approaches for neighborhood definition - Visualization of results and discussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Unsicherheit des Datenregimes für maschinell gelernte Perzentile
Die Methode „Vorhersageintervalle aus drei neuronalen Netzen“[1] (PI3NN) ist ein kürzlich entwickelter und einfach anzuwendender Ansatz zum Erlernen von Vorhersageintervallen künstlicher neuronaler Netze (KNN).
Die geschätzten Perzentile in PI3NN werden global optimiert, ohne zwischen datenreichen, datenarmen und datenlosen Regionen zu unterscheiden. In Bereichen mit vielen Datenpunkten (d. h. hoher Datendichte) sollten die Perzentile jedoch mit größerer Sicherheit geschätzt werden, während sie in Bereichen mit weniger oder keinen Daten (d. h. geringer Datendichte) mit größerer Unsicherheit behaftet sind. Unser Ziel ist es, ein Konzept zur Schätzung der Unsicherheit der Perzentilkurven auf der Grundlage der lokalen Datendichte zu entwickeln.
Mögliche Forschungsfragen sind:
• Wie können Unsicherheitsgrenzen für ein gelerntes Perzentil auf der Grundlage der lokalen Datendichte berechnet werden? Wir planen, Kenntnisse über die Verteilung der Stichprobenvarianz in der lokalen Nachbarschaft zu nutzen, um solche Unsicherheitsgrenzen zu erstellen. Beispielsweise ist für eine bestimmte Stichprobengröße die Varianz der empirischen Median-Schätzung bekannt. Wir wollen dies auf beliebige Perzentile verallgemeinern.
• Wie sollten die Nachbarschaften definiert werden, um glatte und angemessen lokalisierte Unsicherheitsspannen zu erhalten?
Wir planen, mit einer einfachen 1D-künstlichen Fallstudie zu beginnen und den Ansatz optional auf komplexere Settings auszuweiten, wie z. B. höherdimensionale Eingaberaum und letztendlich LSTMs.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | - Scientific programming in Python - Interest in machine learning, statistics and probability theory |
| Lernziel: | - Familiarization with PI3NN - Case study setup with available code for PI3NN - Statistically based uncertainty bound calculation - Development and testing of approaches for neighborhood definition - Visualization of results and discussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Hybridspeichersystem für eine resiliente Strom- und Wärmeversorgung
Optimierung eines numerischen Simulationsmodells für Langzeituntersuchungen von Energieversorgungsszenarien
Mit dem steigenden Anteil wetterabhängiger, erneuerbarer Energieerzeugung wächst die Bedeutung leistungsfähiger und kostengünstiger Energiespeicher im Stromnetz. Ein innovativer Ansatz ist der thermisch aktivierte Lageenergiespeicher: Er kombiniert die Prinzipien von Pumpspeicher- und Warmwasserspeichern in einem unterirdischen System und ermöglicht so große Speicherkapazitäten, ohne den Einsatz strategisch begrenzter Ressourcen.
Die Universität Stuttgart und die Technischen Hochschule Nürnberg erforschen in Kooperation das thermische und strömungsmechanische Verhalten dieses neuartigen Speichersystems. Dafür stehen zwei Simulationsmodelle zur Verfügung: ein eindimensionales, rechenzeiteffizientes Modell für Langzeitstudien auf Systemebene (MATLAB) sowie ein hochauflösendes thermisches CFD-Modell (COMSOL) zur Analyse der Strömungs- Wärmeüber-tragungsvorgänge im Speicher.
Ziel dieser Abschluss-/Forschungsarbeit ist es, aus den Erkenntnissen den CFD-Simulationen (COMSOL) gezielte Anpassungen und Optimierungen am System-Modell (MATLAB) vorzunehmen – insb. im Hinblick auf die Stabilität, Genauigkeit und mit Erhalt der Recheneffizienz.
Die Arbeit umfasst die folgenden Aufgaben:
Einarbeiten in die thermodynamische Modellbildung
Erweiterung des bestehenden MATLAB Modells
Durchführung und Auswertung einer Simulationsstudie
Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (042900) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Micha Schäfer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Hybridspeichersystem für eine resiliente Strom- und Wärmeversorgung
Optimierung eines numerischen Simulationsmodells für Langzeituntersuchungen von Energieversorgungsszenarien
Mit dem steigenden Anteil wetterabhängiger, erneuerbarer Energieerzeugung wächst die Bedeutung leistungsfähiger und kostengünstiger Energiespeicher im Stromnetz. Ein innovativer Ansatz ist der thermisch aktivierte Lageenergiespeicher: Er kombiniert die Prinzipien von Pumpspeicher- und Warmwasserspeichern in einem unterirdischen System und ermöglicht so große Speicherkapazitäten, ohne den Einsatz strategisch begrenzter Ressourcen.
Die Universität Stuttgart und die Technischen Hochschule Nürnberg erforschen in Kooperation das thermische und strömungsmechanische Verhalten dieses neuartigen Speichersystems. Dafür stehen zwei Simulationsmodelle zur Verfügung: ein eindimensionales, rechenzeiteffizientes Modell für Langzeitstudien auf Systemebene (MATLAB) sowie ein hochauflösendes thermisches CFD-Modell (COMSOL) zur Analyse der Strömungs- Wärmeüber-tragungsvorgänge im Speicher.
Ziel dieser Abschluss-/Forschungsarbeit ist es, aus den Erkenntnissen den CFD-Simulationen (COMSOL) gezielte Anpassungen und Optimierungen am System-Modell (MATLAB) vorzunehmen – insb. im Hinblick auf die Stabilität, Genauigkeit und mit Erhalt der Recheneffizienz.
Die Arbeit umfasst die folgenden Aufgaben:
Einarbeiten in die thermodynamische Modellbildung
Erweiterung des bestehenden MATLAB Modells
Durchführung und Auswertung einer Simulationsstudie
Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (042900) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Micha Schäfer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
„Steak alla digital": Optimierung des Fleischbratens mittels eines digitalen Zwillings
Auf dem Markt existieren zahlreiche Apps, mit denen man unter Zuhilfenahme eines invasiven Fleischthermometers die Zubereitung von Steaks optimieren kann. In der vorliegenden Arbeit soll experimentell und numerisch untersucht werden, ob man diese Funktion auch berührungslos und unter Zuhilfenahme eines digitalen Zwillings erfüllen kann. Dazu soll eine systematische Versuchsreihe mit invasiver Temperaturmessung und Thermokamera durchgeführt werden. Zum anderen soll auf der Basis der Echtzeitsimulation der instationären Wärmeleitungsgleichung und eines Reduced Order Models (ROM) ein digitaler Zwilling. Alternative KI-basierte Ansätze zur Entwicklung des digitalen Zwillings sollen ebenfalls untersucht werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (042900) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | André Thess E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
„Steak alla digital": Optimierung des Fleischbratens mittels eines digitalen Zwillings
Auf dem Markt existieren zahlreiche Apps, mit denen man unter Zuhilfenahme eines invasiven Fleischthermometers die Zubereitung von Steaks optimieren kann. In der vorliegenden Arbeit soll experimentell und numerisch untersucht werden, ob man diese Funktion auch berührungslos und unter Zuhilfenahme eines digitalen Zwillings erfüllen kann. Dazu soll eine systematische Versuchsreihe mit invasiver Temperaturmessung und Thermokamera durchgeführt werden. Zum anderen soll auf der Basis der Echtzeitsimulation der instationären Wärmeleitungsgleichung und eines Reduced Order Models (ROM) ein digitaler Zwilling. Alternative KI-basierte Ansätze zur Entwicklung des digitalen Zwillings sollen ebenfalls untersucht werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (042900) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | André Thess E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Bewertung eines neuartigen Laser-Doppler-Anemometers für robuste Navigation
In modernen Navigationssystemen sind Robustheit und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung – insbesondere in anspruchsvollen Umgebungen, in denen herkömmliche Systeme an ihre Grenzen stoßen können.
Bewerten Sie den Einsatz eines neu entwickelten Laser-Doppler-Anemometers, das am DLR entwickelt wurde, um eine Navigationslösung zu verbessern. Bestimmen Sie den Einfluss verschiedener Fehlerquellen (z. B. Wind) auf die Navigationslösung und entwickeln Sie Ansätze, um diese mithilfe eines modellbasierten Ansatzes so weit wie möglich zu minimieren.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | • Starkes Interesse an dynamischer Systemmodellierung • Vertrautheit mit der Programmierung in MATLAB oder C++ • Kenntnisse in der Signalverarbeitung sind von Vorteil |
| Einrichtung: | Navigation (062100) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Thomas Hobiger E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Quasi-Physical Reduced Order Models of Thermospheric Density
The Collaborative Research Centre 1667 “Advancing Technologies of Very Low-Altitude Satellites (ATLAS)”, funded by the German Research Foundation DFG, addresses the fundamental scientific and engineering challenges of rendering Very Low Earth Orbit (VLEO, about 200 km to 450 km altitude) accessible. These orbits are particularly beneficial for indispensable satellite services of our modern knowledge, information and communication society. Additionally, access to VLEO offers the opportunity to operate satellites without exposure or contribution to the increasing contamination of traditional orbits with space debris.
Drag is the dominant perturbation for VLEO satellites and the main source of uncertainty. Currently, there are two classes of models employed, empirical and physical, both of which have significant limitations. While empirical models are computationally lightweight, they perform very poorly during extreme atmospheric conditions. Physical models can capture these events much better but are computationally expensive due to the need to solve the governing non-linear equations. Reduced order models (ROM) are an alternative, they are derived from physical models (or assimilated data) and capture only the dominant spatial modes. The dynamics are described by a set of time-dependent coefficients which determine the mode contributions to the total state. This reduces the computational costs while preserving the ability to model extreme space weather conditions.
Your tasks
• Conduct a literature review of empirical and physical thermosphere models, and of model reduction methods (e.g., Proper Orthogonal Decomposition, Dynamic Mode Decomposition with Control)
• Generate datasets covering a solar cycle and extreme atmospheric events
• Design and implement a data-driven ROM
• Validate the model’s predictive performance offline
• Compare the ROM with other thermosphere models
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Solid background in statistics, data science and programming |
| Einrichtung: | Navigation (062100) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Thomas Hobiger E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Verwendung von LSTM+PI3NN für Wassereinzugsgebiete in Deutschland
Long Short-Term Memory (LSTM)-Netzwerke haben sich bei der Vorhersage von Abflussmengen bewährt und werden in der hydrologischen Forschung umfassend eingesetzt. Eine relativ neue Veröffentlichung (siehe unten) kombiniert LSTMs mit PI3NN, einem NN-Ansatz zur Generierung von Vorhersageintervallen.
Wir möchten diesen Ansatz anhand des CAMELS-DE-Datensatzes testen, einer Sammlung deutscher Flussgebiete. Im Wesentlichen verwenden wir Zeitreihen zu Niederschlag, Temperatur und möglicherweise anderen Faktoren als Eingabe und dann die Wasserstände an den Messstationen als Ausgabe.
Anschließend möchten wir die Korrelationsstruktur der Residuen analysieren. Welche gemeinsamen Effekte gibt es für verbundene Messstationen, die bei der alleinigen Erstellung von Randwerten häufig übersehen werden? Zu diesem Zweck planen wir eine empirische Copula-Analyse. Der Umfang dieses letzten Teils kann je nach Art der Abschlussarbeit/des Projekts variieren.
https://www.frontiersin.org/journals/water/articles/10.3389/frwa.2023.1150126/full
https://essd.copernicus.org/articles/16/5625/2024/
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | ▪ Computerprogrammierung, vorzugsweise Python (oder Julia) ▪ Fundierte Kenntnisse in Statistik ▪ Interesse an Methoden des maschinellen Lernens |
| Lernziel: | Einführung in den CAMELS-DE-Datensatz ▪ Implementierung/Anpassung der LSTM+PI3NN-Methode ▪ Testen der Methode anhand des Datensatzes, Auswertung der Ergebnisse ▪ Einführung in Kopulas. Analyse der Residuen für bestimmte Beispielstationen mit Kopulas. |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Verwendung von LSTM+PI3NN für Wassereinzugsgebiete in Deutschland
Long Short-Term Memory (LSTM)-Netzwerke haben sich bei der Vorhersage von Abflussmengen bewährt und werden in der hydrologischen Forschung umfassend eingesetzt. Eine relativ neue Veröffentlichung (siehe unten) kombiniert LSTMs mit PI3NN, einem NN-Ansatz zur Generierung von Vorhersageintervallen.
Wir möchten diesen Ansatz anhand des CAMELS-DE-Datensatzes testen, einer Sammlung deutscher Flussgebiete. Im Wesentlichen verwenden wir Zeitreihen zu Niederschlag, Temperatur und möglicherweise anderen Faktoren als Eingabe und dann die Wasserstände an den Messstationen als Ausgabe.
Anschließend möchten wir die Korrelationsstruktur der Residuen analysieren. Welche gemeinsamen Effekte gibt es für verbundene Messstationen, die bei der alleinigen Erstellung von Randwerten häufig übersehen werden? Zu diesem Zweck planen wir eine empirische Copula-Analyse. Der Umfang dieses letzten Teils kann je nach Art der Abschlussarbeit/des Projekts variieren.
https://www.frontiersin.org/journals/water/articles/10.3389/frwa.2023.1150126/full
https://essd.copernicus.org/articles/16/5625/2024/
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | ▪ Computerprogrammierung, vorzugsweise Python (oder Julia) ▪ Fundierte Kenntnisse in Statistik ▪ Interesse an Methoden des maschinellen Lernens |
| Lernziel: | Einführung in den CAMELS-DE-Datensatz ▪ Implementierung/Anpassung der LSTM+PI3NN-Methode ▪ Testen der Methode anhand des Datensatzes, Auswertung der Ergebnisse ▪ Einführung in Kopulas. Analyse der Residuen für bestimmte Beispielstationen mit Kopulas. |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Verteilungsvorhersage für Riss-Statistiken
Hydraulic Fracturing ist ein wichtiges Verfahren für eine Vielzahl geophysikalischer Anwendungen. In vielen dieser Anwendungen sind Informationen im kleinen Maßstab weder homogen noch leicht im Detail zu erhalten. Wir modellieren daher die Materialkonstanten stochastisch mittels eines Gaußschen Zufallsfeldes, was zu gewundenen (d. h. welligen) Brüchen führt.
Wir verfügen über einen Workflow, um solche Datenpaare (Zufallsfeld – gewundene Fraktur) zu generieren und relevante Eigenschaften der Fraktur mittels Bildverarbeitung zu bestimmen, wie beispielsweise das Volumen, die Krümmungsänderungen oder die fraktale Dimension.
Etwas allgemeiner ausgedrückt handelt es sich hierbei um eine probabilistische Abbildung von
Parametern des Zufallsfeldes auf Frakturstatistiken. Das Ziel dieser Studie ist es, ein Ersatzmodell zu finden, das Verteilungsvorhersagen liefert, z. B. für eine Korrelationslänge des Zufallsfeldes möchten wir die Verteilung möglicher Bruchvolumina vorhersagen. Um dies zu erreichen, verwenden wir PI3NN, konforme Quantilregression und möglicherweise andere (noch zu bestimmende) ML-Methoden und bewerten statistisch deren jeweilige Leistungen.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | ▪ Computerprogrammierung, vorzugsweise Python (oder Julia) ▪ Fundierte Kenntnisse in Statistik ▪ Interesse an Methoden des maschinellen Lernens |
| Lernziel: | ▪ Einarbeitung in die Fraktur-Simulations-Pipeline ▪ Literaturrecherche zu geeigneten probabilistischen Prädiktoren, darunter PI3NN und konforme Quantilsregression ▪ Implementierung ausgewählter Methoden aus der Literaturrecherche ▪ Rigoroser Vergleich der probabilistischen Prädiktoren ▪ Visualisierung der Ergebnisse und Diskussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Verteilungsvorhersage für Riss-Statistiken
Hydraulic Fracturing ist ein wichtiges Verfahren für eine Vielzahl geophysikalischer Anwendungen. In vielen dieser Anwendungen sind Informationen im kleinen Maßstab weder homogen noch leicht im Detail zu erhalten. Wir modellieren daher die Materialkonstanten stochastisch mittels eines Gaußschen Zufallsfeldes, was zu gewundenen (d. h. welligen) Brüchen führt.
Wir verfügen über einen Workflow, um solche Datenpaare (Zufallsfeld – gewundene Fraktur) zu generieren und relevante Eigenschaften der Fraktur mittels Bildverarbeitung zu bestimmen, wie beispielsweise das Volumen, die Krümmungsänderungen oder die fraktale Dimension.
Etwas allgemeiner ausgedrückt handelt es sich hierbei um eine probabilistische Abbildung von
Parametern des Zufallsfeldes auf Frakturstatistiken. Das Ziel dieser Studie ist es, ein Ersatzmodell zu finden, das Verteilungsvorhersagen liefert, z. B. für eine Korrelationslänge des Zufallsfeldes möchten wir die Verteilung möglicher Bruchvolumina vorhersagen. Um dies zu erreichen, verwenden wir PI3NN, konforme Quantilregression und möglicherweise andere (noch zu bestimmende) ML-Methoden und bewerten statistisch deren jeweilige Leistungen.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | ▪ Computerprogrammierung, vorzugsweise Python (oder Julia) ▪ Fundierte Kenntnisse in Statistik ▪ Interesse an Methoden des maschinellen Lernens |
| Lernziel: | ▪ Einarbeitung in die Fraktur-Simulations-Pipeline ▪ Literaturrecherche zu geeigneten probabilistischen Prädiktoren, darunter PI3NN und konforme Quantilsregression ▪ Implementierung ausgewählter Methoden aus der Literaturrecherche ▪ Rigoroser Vergleich der probabilistischen Prädiktoren ▪ Visualisierung der Ergebnisse und Diskussion |
| Einrichtung: | Stochastische Simulation und Sicherheitsforschung für Hydrosysteme (021440) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfgang Nowak E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Soil Properties in the Unsaturated Zone
The unsaturated zone in the subsurface above the water table plays an important role for water infiltration and contaminant transport (“contaminants of emerging concern” such as PFAS).
The key soil property of a soil responsible for transmitting water is the capillary pressure – saturation relationship. The goal of this M.Sc. thesis is to establish a set of parameters and associated uncertainty estimates for a number of typical porous media used in our laboratory.
These parameters will then be improved input parameters for estimating contaminant mass fluxes to the groundwater and potentially to drinking water wells.
Prospective Tasks:
▪ Familiarize yourself with water flow processes in the unsaturated zone, as well as the concepts and methodology of our measurement setup.
▪ Perform a set of experiments to measure capillary pressure – saturation relationships of soil samples.
▪ Analyze those experiments and fit models for the capillary pressure – relationships in order to obtain a set of parameters including uncertainty estimates.
Desireable Skills:
▪ Experiences in laboratory work is a plus. We are looking for a person with the ambition to work in a soil laboratory.
▪ Ideally some python or other data wrangling skills.
Keywords: Geohydrology, Hydrology, Statistics, Data Analysis, Groundwater Modelling.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (021499) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Claus Haslauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Baustelle der Zukunft: Weiterentwicklung eines Greifers für die automatische Montage von Fachwerkselementen
Die Automatisierung von Baustellen steigert Effizienz, senkt Kosten und erhöht die Sicherheit.
Roboter und intelligente Systeme minimieren Fehler, verkürzen Bauzeiten und reduzieren
Materialverluste. So wird die Bauindustrie nachhaltiger und wettbewerbsfähiger, insbesondere in
Zeiten des Fachkräftemangels.
Im Rahmen der Arbeit soll ein bestehender Endeffektor für einen Franka Research 3 Roboter
weiterentwickelt werden.
Dabei sollen die Interaktionskräfte zwischen Balken und Greifer gemessen werden, um eine robuste
Regelung des Roboters zu ermöglichen. Schwerpunkt der Arbeit liegt auf CAD-Konstruktion.
Ergänzend soll die bereits bestehende Elektronik auf einer individuellen Platine geordnet werden.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | • Hohe Eigenmotivation und Bereitschaft, sich in neue Themenbereiche einzuarbeiten • Grundkenntnisse in CAD, 3D-Druck, Arduino, praktischem Arbeiten im Labor • Grundkenntnisse in Programmieren |
| Einrichtung: | Robotergestütztes Bauen (021514) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Anja Lauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Baustelle der Zukunft: Entwicklung einer ROS Softwarearchitektur für einen Greifer für die automatische Montage von Fachwerkselementen
Die Automatisierung auf Baustellen ist ein Schlüssel zur Steigerung von Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit. Ein entscheidender Baustein dafür sind intelligente Robotersysteme, die komplexe Montageaufgaben übernehmen können. Diese Arbeit legt den softwareseitigen Grundstein für einen solchen intelligenten Greifer.
Die Kernaufgabe liegt in der softwareseitigen Ansteuerung des Greifers für einen Franka Research 3, dessen Hardware auf einem ESP32-Mikrocontroller mit getrennten Subsystemen für Sensorik und Aktorik basiert. Sie entwerfen und implementieren die Kommunikationsprotokolle, sowohl für den internen Datenaustausch zwischen den Subsystemen als auch für die Anbindung des Greifers an einen externen Computer. Der zentrale Schwerpunkt ist die vollständige Integration in das Robot Operating System (ROS), sodass der Greifer als eigenständiger ROS-Knoten agiert. Dieser soll Sensordaten wie Interaktionskräfte publizieren und Steuerbefehle über ROS-Topics oder -Services empfangen. Dieses Projekt bietet eine hervorragende, praxisorientierte Gelegenheit, um fundierte Erfahrungen in der modernen Robotik-Softwareentwicklung zu sammeln.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | • Hohe Eigenmotivation und Bereitschaft, sich in neue Themenbereiche einzuarbeiten • Kenntnisse in Programmieren • Grundkenntnisse im Umgang mit Arduino, praktischem Arbeiten im Labor |
| Einrichtung: | Robotergestütztes Bauen (021514) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Anja Lauer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Systematische Parameterstudie bezüglich der Ausfallraten von Betondecken nach RDO Beton
Die aktuelle Ausgabe der RDO Beton zur Dimensionierung von Betondecken aus dem Jahr 2024 sieht gegenüber der Vorgängerversion expliziter als bisher die Möglichkeit vor, Ausfallwahrscheinlichkeiten bzw. Ausfallraten ausgehend von Materialparametern rückzurechnen und damit Wahrscheinlichkeiten von (wirtschaftlichen) Lebensdauern zu prognostizieren. Dies wird in der Dimensionierung von Fahrbahndecken häufig als probabilistischer Ansatz bezeichnet, der im Übrigen auch für Fahrbahnoberbauten in Asphaltbauweise verfolgt wird – jedoch mit einem unterschiedlichen methodischen Ansatz.
Das Verfahren nach RDO Beton ist ein semi-analytisches Verfahren, das vom Bearbeiter in Excel oder Matlab umgesetzt werden sollte, was sich aufgrund der mehrstufigen Nachweisführung empfiehlt. Auf diese Weise kann eine Rück-rechnung der Versagens-/Ausfallrate erfolgen und systematische Untersuchungen für verschiedene Fälle (mit unterschiedlicher Auftretens-Wahrscheinlichkeit) durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind darzustellen und zu analysieren.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Systematische Parameterstudie bezüglich der Ausfallraten von Betondecken nach RDO Beton
Die aktuelle Ausgabe der RDO Beton zur Dimensionierung von Betondecken aus dem Jahr 2024 sieht gegenüber der Vorgängerversion expliziter als bisher die Möglichkeit vor, Ausfallwahrscheinlichkeiten bzw. Ausfallraten ausgehend von Materialparametern rückzurechnen und damit Wahrscheinlichkeiten von (wirtschaftlichen) Lebensdauern zu prognostizieren. Dies wird in der Dimensionierung von Fahrbahndecken häufig als probabilistischer Ansatz bezeichnet, der im Übrigen auch für Fahrbahnoberbauten in Asphaltbauweise verfolgt wird – jedoch mit einem unterschiedlichen methodischen Ansatz.
Das Verfahren nach RDO Beton ist ein semi-analytisches Verfahren, das vom Bearbeiter in Excel oder Matlab umgesetzt werden sollte, was sich aufgrund der mehrstufigen Nachweisführung empfiehlt. Auf diese Weise kann eine Rück-rechnung der Versagens-/Ausfallrate erfolgen und systematische Untersuchungen für verschiedene Fälle (mit unterschiedlicher Auftretens-Wahrscheinlichkeit) durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind darzustellen und zu analysieren.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Innerörtlicher Straßenraumentwurf in Deutschland und den USA
Der Straßenentwurf im innerörtlichen Bereich weist gegenüber dem Straßenentwurf außerorts mit gewissen physikalischen Randbedingungen, z.B. aus der Fahrdynamik, und daraus abgeleiteten Entwurfsparametern einige Spezifika auf. Straßen im bebauten Bereich weisen häufig neben der Verbindungsfunktion auch Erschließungs- und Aufenthaltsfunktion auf. Zudem sind sehr unterschiedliche Straßenkategorien und typische Entwurfssituationen anzutreffen, von Anliegerstraßen bis zu mehrstreifigen Hauptverkehrsstraßen. Weiterhin sind neben dem Kfz-Verkehr auch die anderen sogenannten Nutzungsansprüche zu berücksichtigen wie Rad- oder Fußgängerverkehr. Weiterhin ist der Straßenraum auch als städtischer Raum zu begreifen. In Deutschland existieren dazu die Richtlinien für die Anlage von Stadtstraßen (RASt), in den USA ist das sogenannte „Green Book“ für Innerorts- wie Außerortsentwurf maßgebend. In beiden Ländern existieren noch weitere Fachregelwerke, die detailliertere Entwurfslösungen enthalten.
In der Bachelorarbeit sollen die Grundlagen, Vorgehensweisen sowie Spezifika des innerörtlichen Straßenentwurfs in Deutschland und den USA anhand der Regelwerke systematisch verglichen und analysiert werden.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Digitales Probenmanagement – vom Probeneingang bis zum Prüfbericht
Ziel der Arbeit ist es, das Probenmanagement von Gesteinskörnungen und Baustoffgemischen in einem Labor für Baustoffprüfung zu digitalisieren. Im Labor gewonnene Ergebnisse sollen digital erfasst und direkt, beispielsweise in ein Excel-basiertes Auswertedokument, übertragen werden, ohne vorher händisch notiert zu werden. Ein excel-basiertes Auswertedokument liegt vor, die Verwendbarkeit muss geprüft werden. Erfasst werden sollen alle im Labor durchgeführten Prüfungen wie zum Beispiel Bestimmung von Korngrößenverteilung, Kornform, Schlagzertrümmerungswert, Frost-Tau-Widerstand etc.. Dies soll beispielsweise über eine RS232-Schnittstelle an Laborwaagen erfolgen. Durch die direkte Übertragung sollen Übertragungsfehler vermieden und der Arbeitsprozess beschleunigt werden. Im besten Falle sollen aus der Excel-basierten Auswertung automatisiert Prüfberichte für verschiedene Verwendungszwecke generiert werden.
Die Arbeit richtet sich an Studierende, die Interesse an der Baustoffprüfung wie auch an der EDV-technischen Umsetzung mittels herkömmlicher Software-Tools und entsprechender Erweiterungen zur Programmierung/Automatisierung haben.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik I |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Digitales Probenmanagement – vom Probeneingang bis zum Prüfbericht
Ziel der Arbeit ist es, das Probenmanagement von Gesteinskörnungen und Baustoffgemischen in einem Labor für Baustoffprüfung zu digitalisieren. Im Labor gewonnene Ergebnisse sollen digital erfasst und direkt, beispielsweise in ein Excel-basiertes Auswertedokument, übertragen werden, ohne vorher händisch notiert zu werden. Ein excel-basiertes Auswertedokument liegt vor, die Verwendbarkeit muss geprüft werden. Erfasst werden sollen alle im Labor durchgeführten Prüfungen wie zum Beispiel Bestimmung von Korngrößenverteilung, Kornform, Schlagzertrümmerungswert, Frost-Tau-Widerstand etc.. Dies soll beispielsweise über eine RS232-Schnittstelle an Laborwaagen erfolgen. Durch die direkte Übertragung sollen Übertragungsfehler vermieden und der Arbeitsprozess beschleunigt werden. Im besten Falle sollen aus der Excel-basierten Auswertung automatisiert Prüfberichte für verschiedene Verwendungszwecke generiert werden.
Die Arbeit richtet sich an Studierende, die Interesse an der Baustoffprüfung wie auch an der EDV-technischen Umsetzung mittels herkömmlicher Software-Tools und entsprechender Erweiterungen zur Programmierung/Automatisierung haben.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik I |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Entwässerung von porösen/offenporigen Fahrbahnsystemen
Offenporige Asphalte sind spezielle Asphaltsorten mit sehr hohen zugänglichen Hohlraumgehalten, die in Deutschland vor allem zu Lärmschutzzwecken eingesetzt werden. Sie haben – wie auch andere poröse Fahrbahn(decken)-systeme – zudem die Eigenschaft, Niederschlagswasser von der Oberfläche in die poröse Struktur aufzunehmen und dort abzuleiten. Neben den Vorteilen, die durch Verhinderung von geschlossen Wasserfilmen an der Oberfläche hinsichtlich der Verkehrssicherheit entstehen, stellt auch die zeitverzögerte Ableitung des Niederschlagswassers insbesondere bei Starkregenereignissen eine zunehmend Beachtung findende Eigenschaft hinsichtlich von Anpassungsstrategien an den Klimawandel (z.B. Beitrag zum Überflutungs-/ Hochwasserschutz) dar. Am Lehrstuhl ist im Rahmen einer Doktorarbeit ein Modell entwickelt worden, das den Wasserabfluss in offenporigen Fahrbahnsystemen simulieren kann. Unter Variation diverser Parameter wie Porosität, Permeabilität, Neigungen und Schichtdicken soll mit dem genannten Modell das Entwässerungsverhalten (u.a. Abfluss in Abhängigkeit der Zeit) von offenporigen Deckschichten berechnet sowie vergleichend untersucht werden. Auch die Analyse der zu wählenden Modellparameter und deren Auswirkungen ist Teil der Aufgabe.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Entwässerung von porösen/offenporigen Fahrbahnsystemen
Offenporige Asphalte sind spezielle Asphaltsorten mit sehr hohen zugänglichen Hohlraumgehalten, die in Deutschland vor allem zu Lärmschutzzwecken eingesetzt werden. Sie haben – wie auch andere poröse Fahrbahn(decken)-systeme – zudem die Eigenschaft, Niederschlagswasser von der Oberfläche in die poröse Struktur aufzunehmen und dort abzuleiten. Neben den Vorteilen, die durch Verhinderung von geschlossen Wasserfilmen an der Oberfläche hinsichtlich der Verkehrssicherheit entstehen, stellt auch die zeitverzögerte Ableitung des Niederschlagswassers insbesondere bei Starkregenereignissen eine zunehmend Beachtung findende Eigenschaft hinsichtlich von Anpassungsstrategien an den Klimawandel (z.B. Beitrag zum Überflutungs-/ Hochwasserschutz) dar. Am Lehrstuhl ist im Rahmen einer Doktorarbeit ein Modell entwickelt worden, das den Wasserabfluss in offenporigen Fahrbahnsystemen simulieren kann. Unter Variation diverser Parameter wie Porosität, Permeabilität, Neigungen und Schichtdicken soll mit dem genannten Modell das Entwässerungsverhalten (u.a. Abfluss in Abhängigkeit der Zeit) von offenporigen Deckschichten berechnet sowie vergleichend untersucht werden. Auch die Analyse der zu wählenden Modellparameter und deren Auswirkungen ist Teil der Aufgabe.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Vergleich von Frequenzspektren (und anderen Charakteristika) von Straßenverkehrslärm
Straßenverkehrslärm setzt sich aus Antriebs- und Rollgeräuschen zusammen. Nicht nur die Höhe des Schalldruckpegels bzw. des Mittelungspegels ist dabei von verschiedensten Parametern abhängig, sondern insbesondere auch die Zusammensetzung des Geräuschs aus verschiedenen Frequenzanteilen, die im Frequenzspektrum anschaulich gemacht werden kann. So können unter anderem unterschiedliche Geschwindigkeiten, Anteile von Fahrzeugtypen, Verkehrs-situationen, Knotenpunktssituationen, Fahrbahnbeschaffenheiten und -oberflächen das Frequenzspektrum beeinflussen. Neben dem Frequenzspektrum existieren noch weitere Parameter, beispielsweise aus der Psychoakustik, die Geräusche näher charakterisieren können und für die Analyse herangezogen werden können.
In dieser Arbeit sollen eigene Messungen von Mittelungspegeln durchgeführt werden in unterschiedlichen vom Studierenden auszuwählenden Situationen. Diese Messungen sollen hinsichtlich des Frequenzspektrums und psychoakustischen Parametern ausgewertet werden (MATLAB oder Excel), um sie nach einer Normierung systematisch vergleichen zu können.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Untersuchung von Streckencharakteristiken entlang Autobahnabschnitten mit temporären Seitenstreifenfreigaben
Durch den Einsatz einer temporären Seitenstreifenfreigabe (TSF) erzielt man neben einer kurzfristen Kapazitätserhöhung des Autobahnabschnittes auch eine Entlastung des Fahrbahnaufbaus. Für die Bemessung von Autobahnabschnitten mit TSF müssen die Änderungen der dimensionierungsrelevanten Parameter (Achslastkollektiv, Fahrstreifenfaktor) bekannt sein. Diese Änderungen können für einzelne Abschnitte bestimmt werden. Es ist jedoch noch nicht bekannt, inwiefern die Streckencharakteristik – Länge des Abschnitts, Anzahl der Fahrstreifen, Verkehrsdichte, nähere Umgebung, etc. – diese beeinflussen.
Ziel dieser Arbeit ist es, durch eine umfangreiche Auswertung von Daten aus Dauerzählstellen, die Auswirkungen auf die dimensionierungsrelevanten Parameter zu bestimmten und anhand möglicher Streckencharakteristiken einzuordnen.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Untersuchung von Streckencharakteristiken entlang Autobahnabschnitten mit temporären Seitenstreifenfreigaben
Durch den Einsatz einer temporären Seitenstreifenfreigabe (TSF) erzielt man neben einer kurzfristen Kapazitätserhöhung des Autobahnabschnittes auch eine Entlastung des Fahrbahnaufbaus. Für die Bemessung von Autobahnabschnitten mit TSF müssen die Änderungen der dimensionierungsrelevanten Parameter (Achslastkollektiv, Fahrstreifenfaktor) bekannt sein. Diese Änderungen können für einzelne Abschnitte bestimmt werden. Es ist jedoch noch nicht bekannt, inwiefern die Streckencharakteristik – Länge des Abschnitts, Anzahl der Fahrstreifen, Verkehrsdichte, nähere Umgebung, etc. – diese beeinflussen.
Ziel dieser Arbeit ist es, durch eine umfangreiche Auswertung von Daten aus Dauerzählstellen, die Auswirkungen auf die dimensionierungsrelevanten Parameter zu bestimmten und anhand möglicher Streckencharakteristiken einzuordnen.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Einsatz von IR-Thermografie zur Bestimmung der Materialstromtemperatur von Asphalt am Einbaugerät
Der Einbau von Asphalt ist ein sorgfältig geplantes Verfahren das in seiner Durchführung zu einem wesentlichen Teil von der Asphaltmischguttemperatur beim Einbau abhängig ist. Mit dem Ziel automatische, genauere und kontinuierliche Temperaturmessungen des Mischguts zu erlangen, soll der Einsatz von Infrarot (IR)-Thermografie untersucht werden. Die Herausforderung besteht in der genauen Temperaturerfassung des Materialstroms (des bewegten Asphaltmischguts) beim Abkippen in den Fertiger.
Mit dem zukünftigen Einsatz von den sogenannten temperaturabgesenkten Asphalten und den damit einhergehenden kleineren Einbauzeiten sind genauere Kenntnisse über die Temperatur des Materials notwendig.
In dieser Arbeit soll das Verfahren in seiner Durchführung und der Auswertung der Messdaten erarbeitet und auf dessen Tauglichkeit geprüft werden. Dafür sollen, in Zusammenarbeit mit dem Forschungs- und Prüflabor Makadamlabor-Schwaben eigene Messungen mit Thermografiekameras am Materialstrom durchgeführt werden
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Einsatz von IR-Thermografie zur Bestimmung der Materialstromtemperatur von Asphalt am Einbaugerät
Der Einbau von Asphalt ist ein sorgfältig geplantes Verfahren das in seiner Durchführung zu einem wesentlichen Teil von der Asphaltmischguttemperatur beim Einbau abhängig ist. Mit dem Ziel automatische, genauere und kontinuierliche Temperaturmessungen des Mischguts zu erlangen, soll der Einsatz von Infrarot (IR)-Thermografie untersucht werden. Die Herausforderung besteht in der genauen Temperaturerfassung des Materialstroms (des bewegten Asphaltmischguts) beim Abkippen in den Fertiger.
Mit dem zukünftigen Einsatz von den sogenannten temperaturabgesenkten Asphalten und den damit einhergehenden kleineren Einbauzeiten sind genauere Kenntnisse über die Temperatur des Materials notwendig.
In dieser Arbeit soll das Verfahren in seiner Durchführung und der Auswertung der Messdaten erarbeitet und auf dessen Tauglichkeit geprüft werden. Dafür sollen, in Zusammenarbeit mit dem Forschungs- und Prüflabor Makadamlabor-Schwaben eigene Messungen mit Thermografiekameras am Materialstrom durchgeführt werden
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Einsatz von elektromagnetischen Sonden für Dichtemessungen auf Asphaltschichten
Die zerstörungsfreie Bestimmung der Dichte von fertigen Asphaltschichten als zusätzliche Kontrollprüfung wird derzeitig vor allem durch das radiometrische Messverfahren, also mit Hilfe von radioaktiven Strahlenquellen, bestimmt. Das hat zur folge, dass der Einsatz nur mit umfangreichen Sicherheitstechnischen Maßnahmen möglich ist sowie Genehmigungen für den Umgang und die Beförderung nötig sind. Eine Alternative hierzu könnten elektromagnetische Sonden sein.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen mit der Unterstützung des Forschungs- und Prüflabor Makadamlabor-Schwaben messtechnische Untersuchungen mit elektromagnetischen Sonden für die Dichtemessung durchgeführt werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Einsatz von elektromagnetischen Sonden für Dichtemessungen auf Asphaltschichten
Die zerstörungsfreie Bestimmung der Dichte von fertigen Asphaltschichten als zusätzliche Kontrollprüfung wird derzeitig vor allem durch das radiometrische Messverfahren, also mit Hilfe von radioaktiven Strahlenquellen, bestimmt. Das hat zur folge, dass der Einsatz nur mit umfangreichen Sicherheitstechnischen Maßnahmen möglich ist sowie Genehmigungen für den Umgang und die Beförderung nötig sind. Eine Alternative hierzu könnten elektromagnetische Sonden sein.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen mit der Unterstützung des Forschungs- und Prüflabor Makadamlabor-Schwaben messtechnische Untersuchungen mit elektromagnetischen Sonden für die Dichtemessung durchgeführt werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Anwendung der Finite-Elemente-Methode zur Untersuchung von mischgutoptimierten Asphalten
Die Mischgutkonzeption für den Bau von Verkehrsflächenbefestigungen ist durch einschlägige Regelwerke standardisiert. Die festgelegten Bereiche und Grenzwerten der relevanten Parameter (Sieblinienbereich, Bindemittelgehalt, etc.) bestimmen die endgültigen Funktion des Mischguts. Allerdings können Variationen innerhalb der durch die Regelwerke vorgegebenen Toleranzen einen signifikanten Einfluss auf die Performanceeigenschaften des Mischguts haben. Insbesondere das Verformungsverhalten und die damit verbundene Nutzungsdauer des Oberbaus können dadurch betroffen sein. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, ein tiefes Verständnis für die Auswirkungen dieser Variationen zu entwickeln, um optimale Mischgutzusammensetzungen zu erreichen.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Auswirkungen der Variationen auf das Verformungsverhalten des Materials zu untersuchen. Für die Berechnungen soll die Software AdtoPave mit dem darin enthaltenen FEM-Kern genutzt werden. Hierfür müssen vorab geeignete Materialdaten recherchiert und für die Einbindung in die Software vorbereitet werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1/2 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Ermittlung von Lastpausenänderungen auf Autobahnabschnitten mit temporären Seitenstreifenfreigaben
Asphalt weist aufgrund seines viskoelastischen Materialverhaltens unter bestimmten Bedingungen die Fähigkeit auf, Strukturschäden teilweise oder vollständig selbstständig zu regenerieren. Relevant sind hierfür in erster Linie die Dauer der Erholungsphasen bzw. der Lastpausen zwischen den Achsüberrollungen des Schwerverkehrs. Es wird angenommen, dass auf Autobahnabschnitten mit temporären Seitenstreifenfreigaben (TSF) durch die zeitweise Nutzung eines zusätzlichen Fahrstreifens die Lastpausen verlängert werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Veränderungen der Lastpausen, die durch eine temporäre Verlagerung des Schwerverkehrs auf den Seitenstreifen entstehen, anhand von Daten aus Dauerzählstellen in einer Umfangreichen Analyse zu ermitteln.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik 1 |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Auswertung von Ultraschallmessungen an Asphalt zur Bestimmung der Steifigkeit und Querdehnzahl
Unter Ultraschall versteht man Schallwellen die in einem Frequenzbereich oberhalb des vom menschlichen Gehör wahrnehmbaren Bereich liegen. Diese Schallwellen können im Bauwesen zur Untersuchung und Bewertung von Baustoffen und Strukturen eingesetzt werden. Das zu Prüfende Material wird über einen Sender durch Schallwellen zum Schwingen gebracht. Diese Schwingungen werden anschließen durch einen Empfänger wieder aufgenommen und aufgezeichnet. Die so gewonnenen Daten müssen in einem weiteren Schritt aufgearbeitet und ausgewertet werden. Unter Anderem ist es so auch möglich Materialparameter wie die Steifigkeiten oder auch Querdehnzahlen zu bestimmen.
Ziel der Arbeit ist zunächst die Einarbeitung in das Thema „Bestimmung von Materialeigenschaften mit Ultraschall“. Anschließend sollen vorliegende Ultraschalldaten mit Daten aus herkömmlichen Versuchen zur Bestimmung der Materialeigenschaften mit den aus Ultraschallmessungen gewonnenen Daten verglichen und statistisch ausgewertet werden. Weiterhin sollen unterschiedliche Asphaltsorten miteinander verglichen werden. Mit Hilfe dieser Untersuchungen sollen Unsicherheiten im Verfahren ausgemacht und Muster in den Messdaten identifiziert werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Auswertung von Ultraschallmessungen an Asphalt zur Bestimmung der Steifigkeit und Querdehnzahl
Unter Ultraschall versteht man Schallwellen die in einem Frequenzbereich oberhalb des vom menschlichen Gehör wahrnehmbaren Bereich liegen. Diese Schallwellen können im Bauwesen zur Untersuchung und Bewertung von Baustoffen und Strukturen eingesetzt werden. Das zu Prüfende Material wird über einen Sender durch Schallwellen zum Schwingen gebracht. Diese Schwingungen werden anschließen durch einen Empfänger wieder aufgenommen und aufgezeichnet. Die so gewonnenen Daten müssen in einem weiteren Schritt aufgearbeitet und ausgewertet werden. Unter Anderem ist es so auch möglich Materialparameter wie die Steifigkeiten oder auch Querdehnzahlen zu bestimmen.
Ziel der Arbeit ist zunächst die Einarbeitung in das Thema „Bestimmung von Materialeigenschaften mit Ultraschall“. Anschließend sollen vorliegende Ultraschalldaten mit Daten aus herkömmlichen Versuchen zur Bestimmung der Materialeigenschaften mit den aus Ultraschallmessungen gewonnenen Daten verglichen und statistisch ausgewertet werden. Weiterhin sollen unterschiedliche Asphaltsorten miteinander verglichen werden. Mit Hilfe dieser Untersuchungen sollen Unsicherheiten im Verfahren ausgemacht und Muster in den Messdaten identifiziert werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Automatisiertes Auswertungstool für Daten aus Ultraschallmessungen an Asphalten
Ultraschall kann im Bauwesen in vielen Bereichen zur Anwendung kommen. Unter anderem ist es möglich, Materialeigenschaften wie beispielsweise die Steifigkeit von unterschiedlichsten Materialien auf einfache und schnelle Weise zu bestimmen. Da die herkömmliche Bestimmung der Materialeigenschaften von Asphalt aufwändige Prüfverfahren voraussetzen ist eine Möglichkeit Ultraschallverfahren dafür einzusetzen. Allerdings fallen hierbei große Datenmengen an, die zunächst aufgearbeitet und dann bezüglich der gewünschten Auswertung gefiltert werden müssen. Herkömmliche Tabellenkalkulationsprogramm kommen hierbei schnell an ihre Leistungsgrenze, weshalb eine Auswertung mit leistungsstärkeren Programmen sinnvoll ist.
Ziel der Arbeit ist es, mit Hilfe der Software MatLab ein Programm zu entwickeln, mit welchem die anfallenden Messdaten aus Ultraschallmessungen an Asphaltprobekörpern automatisch weiterverarbeiten und analysiert werden können. Das Programm soll bestimmte Zeitpunkte in den Daten identifiziert können die dann im folgenden als Grundlage verschiedener Berechnungen dienen. Außerdem soll das Programm unterschiedliche Eingabemöglichkeiten besitzen, um die Auswertung anpassen zu können.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Automatisiertes Auswertungstool für Daten aus Ultraschallmessungen an Asphalten
Ultraschall kann im Bauwesen in vielen Bereichen zur Anwendung kommen. Unter anderem ist es möglich, Materialeigenschaften wie beispielsweise die Steifigkeit von unterschiedlichsten Materialien auf einfache und schnelle Weise zu bestimmen. Da die herkömmliche Bestimmung der Materialeigenschaften von Asphalt aufwändige Prüfverfahren voraussetzen ist eine Möglichkeit Ultraschallverfahren dafür einzusetzen. Allerdings fallen hierbei große Datenmengen an, die zunächst aufgearbeitet und dann bezüglich der gewünschten Auswertung gefiltert werden müssen. Herkömmliche Tabellenkalkulationsprogramm kommen hierbei schnell an ihre Leistungsgrenze, weshalb eine Auswertung mit leistungsstärkeren Programmen sinnvoll ist.
Ziel der Arbeit ist es, mit Hilfe der Software MatLab ein Programm zu entwickeln, mit welchem die anfallenden Messdaten aus Ultraschallmessungen an Asphaltprobekörpern automatisch weiterverarbeiten und analysiert werden können. Das Programm soll bestimmte Zeitpunkte in den Daten identifiziert können die dann im folgenden als Grundlage verschiedener Berechnungen dienen. Außerdem soll das Programm unterschiedliche Eingabemöglichkeiten besitzen, um die Auswertung anpassen zu können.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Innerörtlicher Straßenentwurf
In einer studentischen Arbeit soll ein Innerortsentwurf bearbeitet werden. Dabei besteht eine große Herausforderung darin, die unterschiedlichen Nutzergruppen (Kfz-Verkehr, ÖPNV, Ruhender Verkehr, Radverkehr, Fußgänger, …) entsprechend zu berücksichtigen. Die Gegebenheiten vor Ort lassen dies nicht immer zu, was zu Nutzungskonflikten unter den verschiedenen Verkehrsteilnehmern führen kann.
In der Arbeit soll ein realer Innerortsentwurf bearbeitet werden. Zunächst sollen Städtebauliche Mängel identifiziert und analysiert werden. Anschließend sollen darauf aufbauend Verbesserungsvorschläge erarbeitet werden, welche die vorhandenen Mängel der Ausgangssituation beheben bzw. abmindern. Mit den erarbeiteten Grundlagen soll im Weiteren der Bereich neu entworfen werden.
Die Arbeit findet in Kooperation mit dem Tiefbauamt und dem Amt für Stadtplanung und Stadterneuerung Stuttgart statt. Es wird eine aktuelle und noch in Planung befindliche Fragestellung zu einem Straßenzug oder einem Knotenpunkt in Stuttgart entwickelt und die Hintergrunddaten von der Stadt Stuttgart dafür bereitgestellt.
Bei Interesse an diesem Thema melden Sie sich bitte rechtzeitig vor dem angestrebten Bearbeitungsbeginn.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
IN BEARBEITUNG: Straßenentwurf einer Außerortsstraße
Neben den hier ausgehängten Themen im Bereich Straßenplanung und Straßen-entwurf bietet unser Lehrstuhl bei Interesse individuelle Masterarbeiten zum Thema Straßenentwurf an. Dazu kann in Kooperation mit der Straßenbau-verwaltung ein reales Straßenplanungsprojekt ausgewählt und als Masterarbeit formuliert werden.
An unserem Lehrstuhl wird die Planungssoftware VESTRA INFRAVISION® eingesetzt, die bei der Planung und dem Entwurf von Verkehrswegen sowohl im kommunalen als auch im klassifizierten Straßenbau als Werkzeug dient.
Bei der Bearbeitung des Straßenentwurfs in Ihrer Masterarbeit führen Sie zu Beginn einen Variantenvergleich unter Berücksichtigung bestimmter Kriterien durch. Die Vorzugsvariante wird anschließend nach den aktuell gültigen tech-nischen Richtlinien entworfen. Dabei steht u. a. die Planung der Knotenpunkte, Entwässerungseinrichtungen sowie des nachfolgenden Wirtschaftswegenetzes im Mittelpunkt.
Je nach Umfang der Arbeit kann der Entwurf durch eine Simulation des Straßen-verkehrslärms mit Hilfe der Software SoundPLAN® oder durch die Prüfung der Trasse auf entwässerungsschwache Zonen ergänzt werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenentwurf außerorts I Straßenentwurf außerorts II |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Fahrdynamische Ansätze in den Entwurfsregelwerken in Deutschland und den USA
Die Physik bzw. Mechanik eines sich bewegenden Körpers (hier: Fahrzeug) bestimmt maßgeblich verschiedene Parameter im Straßenentwurf, z.B. Mindestkurvenradien in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Querneigung, Auswirkungen von Längsneigungen/Steigungen auf schwere Fahrzeuge, Zunahme der Querbeschleunigung bei Einfahrt in eine Kurve/Klothoide, Abrutschen/Umkippen eines Fahrzeugs bei zu großer Querneigung. Man sollte aus den physikalischen Gesetzmäßigkeiten daher vermuten, dass die daraus abgeleiteten Grenzwerte/Richtwerte in allen Ländern gleich sind. Dennoch stellt man fest, dass u.a. durch Sicherheitsbeiwerte, Toleranzen sowie unterschiedlichen Ansätzen für Reibungskräfte zwischen Reifen und Fahrbahn dennoch unterschiedliche praxisrelevante Anforderungswerte für verschiedene Entwurfsparameter existieren, z.B. im Vergleich der Regelwerke von Deutschland und den USA.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Unterschiede aufgearbeitet werden und weitere Fälle physikalisch nachvollzogen/berechnet werden, um bestehende Sicherheiten/Toleranzen für verschiedene Szenarien (z.B. verschiedene Reibbeiwerte/Glätte) ermitteln zu können.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Rechnerische Dimensionierung von Asphaltbefestigungen – Vergleich von Berechnungsmethoden aus Deutschland und den USA
In Deutschland ist ein Verfahren zur rechnerischen Dimensionierung von Asphaltbefestigungen in den RDO Asphalt beschrieben, das auf Berechnungen mit Hilfe der Mehrschichtentheorie (zunehmend auch FEM) beruht und zudem Annahmen bezüglich des Lastkollektivs und auftretenden Temperaturen über die Nutzungsdauer sowie Materialparameter bzw. Performanceeigenschaften der eingesetzten Asphalte integriert. In den USA ist eine mechanistisch-empirische Methode etabliert worden (MEPDG), die ebenfalls Berechnungen einer „strukturellen Antwort“ (pavement response) in Form von Spannungen und Dehnungen im Oberbau vorsieht, mit Hilfe derer verschiedene Schadensprozesse prognostiziert werden können. Die relevanten Randbedingungen bzw. Eingangsparameter (Verkehr, Temperaturen, Material) vergleichbar zu den RDO Asphalt, sie sind jedoch im Modell anderweitig verankert bzw. zu berücksichtigen.
In dieser Arbeit sollen Vergleichsberechnungen mit RDO und MEPDG durchgeführt werden. Mit der Software ADtoPave sind die relevanten Spannungen und Dehnungen zu berechnen sowie die RDO-Berechnungen umzusetzen. Das MEPDG-Verfahren muss aufbauend auf den o.g. Spannungs- und Dehnungs-berechnungen vom Studierenden selbst in Excel/Matlab umgesetzt werden.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Voraussetzung: | Straßenbautechnik II |
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Porenanalyse in Asphaltbohrkernen mit Hilfe digitaler Bildverarbeitung
Poren in Asphalten spielen vor allem bei offenporigen Asphalten eine wichtige Rolle. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde am Lehrstuhl die innere Struktur von Asphalt untersucht. In diesem Zusammenhang wurden CT-Scans von unterschiedlichen Asphalten aufgenommen.
Bei der Bearbeitung dieser Masterarbeit soll zunächst eine Literarturrecherche zur Analyse von Poren in Materialien, vor allem in Asphalt, erfolgen. Anschließend soll ein Verfahren entwickelt werden, mit dem Poren in Asphaltstrukturen erkannt und analysiert werden können. Dafür soll die Software MATLAB verwendet werden, die mit ihrer „Image Processing Toolbox“ viele Funktionen zur Bildverarbeitung- und –analyse zur Verfügung stellt. Dabei sollen die am Lehrstuhl vorhandenen CT-Scans zur Kalibrierung verwendet werden. Abschließend soll mit Hilfe des neu entwickelten Verfahrens eine Auswertung von Poren in Asphaltstrukturen durchgeführt werden.
Vorkenntnisse in MATLAB sind hilfreich,
aber nicht erforderlich.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Umsetzung/Verifizierung der Interpolation von Texturparametern bei der Entwässerungsmodellierung
Am Lehrstuhl für Straßenplanung und Straßenbau existiert ein Softwaretool zur Modellierung des Wasserabflusses von Fahrbahnoberflächen (PSRM). Ein wichtiger Parameter ist dabei die Vorgabe der Fahrbahnrauheit in Form einer mittleren Texturtiefe (MTD). Das Modell ist anhand von 5 verschiedenen Rauheiten kalibriert worden, hierzu liegen entsprechende Messergebnisse vor.
In der Masterarbeit soll die programmtechnische Umsetzung so ergänzt werden, dass auch andere MTD-Werte – abschnittsweise – eingegeben werden können. Die so erzielten Berechnungsergebnisse sind zu verifizieren und einer systematischen Analyse unter Bezug auf den grundlegenden Modellansatz zu unterziehen Für die Bearbeitung des Themas sind Programmierkenntnisse (hier: C/C++, DUNE, DuMux) sehr von Vorteil.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Physikalische und chemische Vorgänge bei der Schmutzablagerung in offenporigen Asphalten
In offenporigen Asphalten kommt es mit der Zeit zu Ablagerungen, wodurch die gewünschten Eigenschaften verloren gehen. Um diese Vorgänge zu verstehen und ggf. entgegenwirken zu können ist eine detaillierte Kenntnis der physikalischen und chemischen Vorgänge bei der Bildung der Ablagerungen erforderlich. Dies gilt sowohl für die Bindung von Schmutzpartikeln an die Oberfläche der Poren als auch für weitere Anlagerungen an bereits vorhandenen Verschmutzungen.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll eine internationale Literaturrecherche durchgeführt und die Ergebnisse anschließend aufbereitet werden. Dabei sollen sowohl die Eigenschaften des Bitumenfilms als Oberfläche im offenporigen Asphalt als auch die Eigenschaften möglicher Schmutzstoffe beschrieben werden. Anschließend soll auf Wechselwirkungen und Reaktionen bei der Bildung der Ablagerungen eingegangen werden. Dabei sind auch die Abläufe und die Auswirkungen der Kristallbildung durch Tausalze zu berücksichtigen. Auch auf mögliche Gegenmaßnahmen z. B. durch Beschichtungen soll eingegangen werden. Die recherchierten Reaktionen sollen auch mit dem Framework DUMUX (C++) dargestellt werden.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Physikalische und chemische Vorgänge bei der Schmutzablagerung in offenporigen Asphalten
In offenporigen Asphalten kommt es mit der Zeit zu Ablagerungen, wodurch die gewünschten Eigenschaften verloren gehen. Um diese Vorgänge zu verstehen und ggf. entgegenwirken zu können ist eine detaillierte Kenntnis der physikalischen und chemischen Vorgänge bei der Bildung der Ablagerungen erforderlich. Dies gilt sowohl für die Bindung von Schmutzpartikeln an die Oberfläche der Poren als auch für weitere Anlagerungen an bereits vorhandenen Verschmutzungen.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll eine internationale Literaturrecherche durchgeführt und die Ergebnisse anschließend aufbereitet werden. Dabei sollen sowohl die Eigenschaften des Bitumenfilms als Oberfläche im offenporigen Asphalt als auch die Eigenschaften möglicher Schmutzstoffe beschrieben werden. Anschließend soll auf Wechselwirkungen und Reaktionen bei der Bildung der Ablagerungen eingegangen werden. Dabei sind auch die Abläufe und die Auswirkungen der Kristallbildung durch Tausalze zu berücksichtigen. Auch auf mögliche Gegenmaßnahmen z. B. durch Beschichtungen soll eingegangen werden. Die recherchierten Reaktionen sollen auch mit dem Framework DUMUX (C++) dargestellt werden.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Straßenplanung und Straßenbau (021310) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Wolfram Ressel E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Implementierung und Auswertung einer Rumpfmassenmethodik im Gesamtflugzeugentwurfsprozess von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen
Der Übergang zu nachhaltigen Luftfahrtsystemen erfordert neue Antriebskonzepte und strukturelle Lösungen, insbesondere im Hinblick auf wasserstoffbetriebene Flugzeuge. Diese unterscheiden sich von konventionellen Flugzeugen vor allem durch die Integration von Wasserstofftanks, was erhebliche Auswirkungen auf Rumpfstruktur und Massenverteilung hat.
In dieser Abschlussarbeit soll eine vorhandene Rumpfmassenmethodik in die Flugzeugentwurfsumgebung SUAVE implementiert und über ein standardisiertes Datenformat verknüpft werden. Ziel ist die Analyse und Bewertung der Methodik im Kontext wasserstoffbetriebener Flugzeuge sowie der Vergleich zu konventionellen Konzepten hinsichtlich der Auswirkungen auf den Gesamtflugzeugentwurf.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | • Literaturrecherche zu konventionellen Rumpfmassemethodiken und strukturellen Besonderheiten wasserstoffbetriebener Flugzeuge • Einarbeitung in die Entwurfsumgebung SUAVE und deren Modellierungs- und Schnittstellenarchitektur • Analyse der bestehenden Rumpfmassenmethodik (z. B. Annahmen, Eingangsgrößen, Skalierungsgesetze, Gültigkeitsbereich) und Aufbereitung für die Implementierung • Implementierung der Methodik in SUAVE unter Berücksichtigung wasserstoffspezifischer Struktureinflüsse • Aufbau einer konsistenten CPACS-Schnittstelle zur Übertragung relevanter Parameter (z. B. Rumpfabmessungen, Kabinenlayout, Struktur- und Tankparameter) • Validierung der Implementierung anhand ausgewählter Referenzflugzeugs mit konventionellem und wasserstoffbasiertem Antriebskonzept • Sensitivitätsanalyse zur Untersuchung der Auswirkungen wasserstoffspezifischer Designparameter (Tankvolumen, Position, Materialwahl) auf den Gesamtflugzeugentwurf • Bewertung der Konsistenz und Genauigkeit der implementierten Methodik sowie Identifikation möglicher Verbesserungsmöglichkeiten • Dokumentation und Präsentation der Zwischen- und Endergebnisse |
| Einrichtung: | Flugzeugentwurf (060311) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Andreas Strohmayer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Implementierung und Auswertung einer Rumpfmassenmethodik im Gesamtflugzeugentwurfsprozess von wasserstoffbetriebenen Flugzeugen
Der Übergang zu nachhaltigen Luftfahrtsystemen erfordert neue Antriebskonzepte und strukturelle Lösungen, insbesondere im Hinblick auf wasserstoffbetriebene Flugzeuge. Diese unterscheiden sich von konventionellen Flugzeugen vor allem durch die Integration von Wasserstofftanks, was erhebliche Auswirkungen auf Rumpfstruktur und Massenverteilung hat.
In dieser Abschlussarbeit soll eine vorhandene Rumpfmassenmethodik in die Flugzeugentwurfsumgebung SUAVE implementiert und über ein standardisiertes Datenformat verknüpft werden. Ziel ist die Analyse und Bewertung der Methodik im Kontext wasserstoffbetriebener Flugzeuge sowie der Vergleich zu konventionellen Konzepten hinsichtlich der Auswirkungen auf den Gesamtflugzeugentwurf.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | • Literaturrecherche zu konventionellen Rumpfmassemethodiken und strukturellen Besonderheiten wasserstoffbetriebener Flugzeuge • Einarbeitung in die Entwurfsumgebung SUAVE und deren Modellierungs- und Schnittstellenarchitektur • Analyse der bestehenden Rumpfmassenmethodik (z. B. Annahmen, Eingangsgrößen, Skalierungsgesetze, Gültigkeitsbereich) und Aufbereitung für die Implementierung • Implementierung der Methodik in SUAVE unter Berücksichtigung wasserstoffspezifischer Struktureinflüsse • Aufbau einer konsistenten CPACS-Schnittstelle zur Übertragung relevanter Parameter (z. B. Rumpfabmessungen, Kabinenlayout, Struktur- und Tankparameter) • Validierung der Implementierung anhand ausgewählter Referenzflugzeugs mit konventionellem und wasserstoffbasiertem Antriebskonzept • Sensitivitätsanalyse zur Untersuchung der Auswirkungen wasserstoffspezifischer Designparameter (Tankvolumen, Position, Materialwahl) auf den Gesamtflugzeugentwurf • Bewertung der Konsistenz und Genauigkeit der implementierten Methodik sowie Identifikation möglicher Verbesserungsmöglichkeiten • Dokumentation und Präsentation der Zwischen- und Endergebnisse |
| Einrichtung: | Flugzeugentwurf (060311) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Andreas Strohmayer E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Effiziente C-Implementierung eines Layered BP Decoders
Low-Density-Parity-Check-(LDPC)-Codes sind leistungsstarke Fehlerkorrekturcodes, die eine Leistung nahe der Shannon-Grenze erreichen. Sie sind in modernen Kommunikationsstandards wie 5G NR, Wi-Fi und DVB-S2 weit verbreitet. Unter den Decodierungsalgorithmen bietet die Layered Min-Sum-Variante im Vergleich zur herkömmlichen Flooding-Belief-Propagation-Decodierung eine verbesserte Konvergenz und reduziert dadurch die benötigten Iterationen. Das macht sie sowohl für Hardware- als auch für Software-Implementierungen attraktiv.
LDPC-Decoder mit Hardware-Unterstützung erzielen zwar einen extrem hohen Durchsatz, doch bleiben softwarebasierte Decoder für flexible, rekonfigurierbare Systeme, Rapid Prototyping und Plattformen, bei denen eine Hardwarebeschleunigung nicht möglich ist, unverzichtbar.
Das Ziel dieser Arbeit ist eine effiziente C-Implementierung des Layered-Min-Sum-Algorithmus.
Um eine hohe Leistung zu erreichen, sind eine sorgfältige algorithmische Optimierung, die Abstimmung der Speicherzugriffsmuster und die Nutzung prozessorspezifischer Funktionen wie SIMD-Vektorisierung erforderlich.
Referenzen:
[1] D. E. Hocevar, “A Reduced Complexity Decoder Architecture via Layered Decoding of LDPC
Codes”, IEEE Workshop on Signal Processing Systems, 2004. SIPS 2004., Austin,TX, USA, 2004,
pp. 107-112, doi: 10.1109/SIPS.2004.1363033.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Lernziel: | 1. Literaturrecherche zu effizienten LDPC-Decodierungsalgorithmen 2. C-Implementierung eines LDPC-Decoders mit hohem Durchsatz 3. Bewertung von Leistung und Durchsatz anahnd von Monte-Carlo-Simulationen |
| Einrichtung: | Nachrichtenübertragung (051100) |
| Betreuende: | |
| Prüfende: | Stephan ten Brink E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Analyse und Simulation des Jansen-Mechanismus
Der niederländische Physiker und Künstler Theo Jansen entwickelte kinetische Kunstprojekte, die er als „Strandbeester “bezeichnet (niederländisch: Strandtiere). Er nahm sich dabei natürliche Fortbewegungsmechanismen, wie Laufen oder Kriechen, als Vorbild.
Im Rahmen dieser Arbeit soll die, dem Jansen-Mechanismus, zugrundeliegende Mechanik aufgearbeitet werden. Die zu erwartenden großen Verschiebungen gehen über die im Bauwesen meist verwendeten linearen Theorien hinaus, daher ist eine geometrisch nichtlineare Betrachtung notwendig. Nachfolgend soll ein Matlab- oder Python-Code implementiert werden, der eine computergestützte Analyse der Mechanismen erlaubt. Dabei sind Mechanismen unterschiedlicher Komplexität zu modellieren und auf die Realitätsnähe der Ergebnisse zu bewerten.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zu Jansen-Mechanismen
- Aufarbeiten der zugrunde liegenden Mechanik
- Programmtechnische Umsetzung der Jansen-Mechanismen
- Auswertung der Ergebnisse
Empfohlene Interessengebiete
(Nichtlineare) Baustatik, Programmierung
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Manfred Bischoff E-Mail Malte von Scheven E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Ausfallsicherheit von adaptiven Tragwerken durch Energiespeicherung und Dissipation
Die Forschung im Bereich der adaptiven Tragwerke ist in den letzten Jahren stark vorangeschritten und es wurden bereits erste Tragwerke realisiert, die sich an ihre Umgebungseinflüsse anpassen können. Für die Akzeptanz dieser Tragwerke ist es fundamental, dass für das Gesamtsystem welches aus konventionellen passiven Bauteilen, Aktoren, Sensoren und der Regelung besteht, klar definierte und gut durchdachte Sicherheitskonzepte existieren. Ein besonderer Fokus liegt auf der Ausfallsicherheit der Aktoren. Hierbei gilt es sogenannte Fail-Safe-Konzepte aufzustellen, die beim Teil- oder Totalausfall der Aktoren die Sicherheit des Tragwerks gewährleisten und das System in einen besonders sicheren Zustand bringen. Für Bauwerke gibt es solche Konzepte bereits im Bereich der Erdbebensicherheit und auch andere Disziplinen wie der Maschinenbau, Flugzeugbau, Eisenbahntechnik und die Systemdynamik greifen bereits seit einiger Zeit regelmäßig auf solche Konzepte zurück. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb zunächst die Sicherheitsanforderungen an Tragwerke anhand der geltenden Normen zu erfassen und bereits erforschte Fail-Safe-Konzepte zu sammeln und die Anwendbarkeit auf adaptive Tragwerke zu prüfen. Als Ergebnis soll außerdem ein Konzept für den Aktorausfall des bereits realisierten Demonstratorhochhauses des SFB 1244 aufgestellt werden.
Teilaufgaben
- Recherche zu Sicherheitsanforderungen konventioneller Tragwerke in den geltenden Normen und Übertrag auf adaptive Tragwerke.
- Darstellung ausgewählter Fail-Safe-Konzepte aus verschiedenen Disziplinen und Prüfung der Anwendbarkeit auf adaptive Tragwerke.
- Ausarbeitung eines Sicherheitskonzepts für den Aktorausfall am Beispiel des D1244.
Empfohlene Interessengebiete
Adaptive Tragwerke, Ausfallsicherheit
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Berechnungsmethoden für adaptive Seilkonstruktionen
Seilkonstruktionen zeichnen sich durch ihr geringes Eigengewicht und große Spannweiten aus, die damit erreicht werden können. Eine Herausforderung bei der Berechnung von Seilkonstruktionen ist die große geometrische Nichtlinearität, die nicht vernachlässigt werden kann. Die Steifigkeit von Seilnetzen wird durch Vorspannung erzielt, die während der Betriebszeit i. d. R. nur wenige Male angepasst wird, um Effekte aus Relaxation auszugleichen.
Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1244 wird zu adaptiven Tragwerken geforscht. Durch den Einsatz von Sensoren, einer Steuerungseinheit und Aktoren können gezielt Belastungen und Verformungen, die durch äußere Lasten hervorgerufen werden, kontrolliert werden. Dabei stellt sich die Frage, wie ein optimaler Aktuierungszustand gefunden werden kann. Eine Methode, die das Superpositionsprinzip der linearen Statik für die Ermittlung der Aktorstellwege zur Kraftadaption ausnutzt, wurde von Krauß u.a. [1] vorgestellt.
Ziel der Arbeit ist es, eine Berechnungsmethode für adaptive Seilkonstruktionen zu entwickeln. Dabei soll das nichtlineare Tragverhalten von Seilkonstruktionen berücksichtigt und das in [1] vorgestellte Verfahren dafür erweitert werden. Anschließend soll das Verfahren anhand geeigneter Beispieltragwerke getestet und dessen Anwendungsgrenzen systematisch untersucht werden.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zur Berechnung von Seilkonstruktionen und adaptiven Tragwerken
- Implementierung der Berechnung von Seilkonstruktionen unter Berücksichtigung der geometrischen Nichtlinearität in Matlab
- Erweiterung des in [1] entwickelten Verfahrens für geometrische Nichtlinearität
- Untersuchung der entwickelten Methode und ihrer Anwendungsgrenzen anhand geeigneter Beispieltragwerke
Empfohlene Interessengebiete
Nichtlineare Baustatik, Finite-Elemente-Methode, Programmieren mit Matlab
Literatur
[1] Krauß, L.-M.; Maierhofer, M.; Prokosch, T.; Trautwein, A.; von Scheven, M.; Menges, A.; Bischoff, M. (2024): Baustatische Methoden für Entwurf, Auslegung und Betrieb adaptiver Tragwerke. In: B. Oesterle; A. Bögle; W. Weber; L. Striefler (Hrsg.), Berichte der Fachtagung Baustatik – Baupraxis 15, 04. und 05. März 2024, Hamburg, S. 101–108.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Die Mixed-Displacement-Methode für NURBS-erweiterte finite Elemente
Bei der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird die CAD-Geometrie während des Netzgenerierungsprozesses approximiert. Die Isogeometrische Analyse (IGA) löst dieses Problem, indem sie die zugrundeliegenden Funktionsräume der CAD-Geometrie direkt als Ansatzfunktionen verwendet. Allerdings liefert CAD-Software in der Regel nur eine Darstellung des Randes der Geometrie (B-Rep) und nicht die für die Analyse erforderliche Volumendarstellung (V-Rep). Die NURBS-erweiterte Finite-Elemente-Methode (NEFEM) kombiniert die B-Rep- Darstellung aus dem CAD mit einem Standard-FE-Netz um eine exakte Diskretisierung der Geometrie zu ermöglichen. Allerdings beeinträchtigt Locking-Phänomene die Approximationsqualität bei groben Netzen. Die Mixed-Displacement-Methode (MD) wurde entwickelt, um geometrische Locking-Phänomene auf theoretischer Ebene zu behandeln und erweist sich dadurch als lockingfrei, unabhängig vom Diskretisierungsverfahren.
In dieser Arbeit soll die MD-Methode im Kontext von NEFEM untersucht werden. Verschiebungsbasierte und MD-basierte Scheibenelemente sollen im Rahmen von FEM und NEFEM implementiert werden. Mehrere Benchmark-Probleme sollen untersucht werden, um ihre Eigenschaften in Bezug auf Schublocking bei linearer Elastizität zu untersuchen. Die Ergebnisse aus FEM und NEFEM müssen für die Standard- und der MD-Formulierung verglichen werden. Abschließend ist eine systematische, vergleichende Untersuchung der Qualität der Ergebnisse gefragt.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zu NEFEM und der MD-Methode
- Implementierung von verschiebungsbasierten und MD-basierten Scheibenelemente im Rahmen von FEM und NEFEM (z. B. mit Matlab/Python/C++)
- Analyse verschiedener Benchmark-Probleme mit unterschiedlichen Randbedingungen, Belastungsszenarien, Integrationspunkten, Elementformen (Dreiecke und Vierecke) und unter Verwendung sowohl isoparametrischer als auch nicht-isoparametrischer Konzepte.
Empfohlene Interessengebiete
FEM, IGA, CAD, Locking, Programmierung
Literatur
[1] Bieber, S., Oesterle, B., Ramm, E., Bischoff, M., 2018. “A variational method to avoid locking - independent of the discretization scheme”. Int J Numer Methods Eng 114, 801–827.
[2] Sevilla, R., Fernández-Méndez, S., Huerta, A., 2008. “NURBS-enhanced finite element method (NEFEM)”. Int J Numer Methods Eng 76, 56–83.
[3] Montanari, M., Santi, G.M., Sevilla, R., Alfredo, L., Petrinic, N., 2024. “NURBS-enhanced finite element method (NEFEM) on quadrilateral meshes”. Finite Elements in Analysis and Design 231
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Manfred Bischoff E-Mail Malte von Scheven E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Einsatz neuronaler Netze zur Optimierung der numerischen Integration bei finiten Scheibenelementen
Bei der Integration im Rahmen von Diskretisierungsmethoden werden aus Gründen der Effizienz i. d. R. numerische Integrationsverfahren eingesetzt. Im Rahmen der Finite-Elemente- Methode kommt üblicherweise die Gauß-Legendre-Integration zum Einsatz, mit welcher bei einer gegebenen Anzahl von Integrationspunkten Polynome bis zu einem Grad p exakt integriert werden können. Bei vielen Elementen treten allerdings gebrochen-rationale Integranden auf, welche nicht exakt integriert werden können. Der Fehler, der dadurch gemacht wird, hängt u. a. von der Geometrie des Integrationsgebietes ab.
Von Oishi und Yagawa [1] wird am Beispiel von Hexaederelementen eine datenintegrierte Methode basierend auf einem neuronalen Netz vorgeschlagen, um die minimale Anzahl an Integrationspunkten für beliebige Elementgeometrien und eine gewünschte Genauigkeit zu ermitteln. Des Weiteren kann eine Verbesserung der numerischen Integration durch die Optimierung der Gewichte mittels eines neuronalen Netzes erreicht werden [1].
Ziel dieser Arbeit ist, die in [1] entwickelten Methoden auf finite Scheibenelemente zu übertragen und diese anschließend in Hinblick auf deren Genauigkeit, Effizienz und Robustheit gegenüber stark verzerrten Elementgeometrien zu untersuchen. Zu berücksichtigen sind dabei lineare und quadratische Ansatzfunktionen. Ein besonderer Schwerpunkt soll auf der Generierung von geeigneten Datensätzen liegen.
Teilaufgaben
- Implementierung der beiden in [1] vorgestellten Methoden zur Verbesserung numerischer Integrationsverfahren für finite Scheibenelemente
- Systematische Untersuchung der Qualität und Robustheit der entwickelten neuronalen Netzarchitekturen
- Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse
Empfohlene Interessengebiete
Finite Elemente, Numerische Methoden, Machine Learning, Programmierung mit Python
Literatur
[1] Oishi, A.; Yagawa, G. (2017): Computational mechanics enhanced by deep learning. In: Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 327, 2017, S. 327–351
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Entwurfsoptimierung von gitterartigen Faserstrukturen
Im Excellenzcluster IntCDC [1] werden robotergefertigte Faserstrukturen hergestellt und untersucht, da diese besonders für den Leichtbau geeignet sind. Hierzu werden die Fasern mittels Robotern entlang eines Pfades um Ankerpunkte gewickelt und spannen dazwischen frei auf einer geraden Linie ohne zusätzliche Unterstützung oder Schalung. Die endgültige Form ergibt sich aus der Faserinteraktion im Raum [2]. Durch Harz verkleben sich überkreuzende Faserstränge miteinander und erzeugen dabei eine gitterartige Struktur. Die Wicklungssequenz (Reihenfolge, gewählter Winkel, Start- und Endpunkte, Überkreuzungen) beeinflusst also durch die Interaktion sowohl Geometrie als auch Topologie und damit viele relevante Tragwerkseigenschaften, wie Steifigkeit, Grad der statischen Unbestimmtheit und Redundanzverteilung.
Ziel der Arbeit ist die Entwurfsoptimierung von ebenen gitterartigen Faserstrukturen unter besonderer Berücksichtigung der Wicklungssequenz. Dazu sollen zunächst parametrische Geometriemodelle der Faserstrukturen erstellt und im Hinblick auf ihre Redundanzverteilung bewertet werden. Anschließend sollen die Einflüsse der Wicklungssequenz auf die Redundanzverteilung und andere Tragwerkseigenschaften systematisch untersucht werden bevor die Gitterstrukturen, z.B. bei gegebener Fasergesamtlänge Anzahl an Kreuzungspunkte maximieren, optimiert werden.
Teilaufgaben
- Definition von Entwurfsparametern (z.B. Wicklungswinkel, Faseranzahl)
- Aufbau eines (parametrischen) Modells zur Beschreibung der Faserstruktur und Durchführung von Parameterstudien
- Anwendung einer Optimierungsmethode
- Vergleich und Bewertung der Ergebnisse nach der Optimierung
Empfohlene Interessengebiete
Programmierung, Optimierung, Redundanzverteilung
Literatur
[1] https://www.intcdc.uni-stuttgart.de/research/building-demonstrators/
[2] Gil Pérez et al., 2022. Computational co-design framework for coreless wound fibre-polymer composite structures. Journal of Computational Design and Engineering 9, 310–329
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
The Discrete Strain Gap Method for Nearly Incompressible Linear Elasticity
For near-incompressible linear elastic problems, the Poisson’s ratio tends towards 0.5. Near this limiting case, while utilizing the standard finite element method (FEM), volumetric locking occurs, resulting in an underestimation of displacements accompanied by parasitic stress components. Over the years, many methods have been well established to treat various locking phenomena. One such method is the discrete strain gap method (DSG), traditionally developed to treat transverse shear locking [1] and membrane locking [2] effects in the context of shells. Volumetric locking itself can be treated with several approaches, like the enhanced assumed strain method, the B-bar method, selective reduced integration techniques, and many more.
In this thesis, the DSG method ought to be extended to alleviate volumetric locking effects in the context of near-incompressible linear elasticity. The modified DSG method has to be implemented (preferably in Ikarus [3]) within the framework of FEM for Q1/H1 solid elements. Several 2D and 3D benchmark problems have to be assessed to study volumetric locking characteristics within the framework of linear elasticity. The results have to be compared with alternative locking-free element technologies.
The specific tasks are
- Implement the modified DSG method within the framework of FEM for Q1/H1 solid elements.
- Study the elements’ behavior using various 2D and 3D benchmark problems using structured and unstructured meshes.
- Compare the element’s performance with alternative locking-free element technologies.
Recommended fields of interest
FEM, linear elasticity, element technologies, programming
Literature
[1] Bletzinger, K.-U., Bischoff, M., Ramm, E., 2000. A unified approach for shear-locking-free triangular and rectangular shell finite elements. Computers & Structures 75, 321–334.
[2] Koschnick, F., Bischoff, M., Camprubí, N., Bletzinger, K.-U., 2005. The discrete strain gap method and membrane locking. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 194, 2444–2463.
[3] Müller, A., Vinod Kumar Mitruka, T.K.M., Jakob, H., 2024. Ikarus v0.4.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Zuverlässigkeitstheoretische Betrachtung redundanter Stabtragwerke
Der Grad der statischen Unbestimmtheit ns ist eine grundlegende Tragwerkseigenschaft. Während ns zumeist als integrale Größe verstanden wird, liefert das Konzept der Redundanzmatrizen Informationen über dessen räumliche Verteilung ([1] und Abb. links). Dies gibt wertvolle Einsicht in das Tragverhalten, welche – neben dem Entwurf und der Berechnung – für die sicherheits- und zuverlässigkeitstheoretische Beurteilung genutzt werden kann [3].
Aus sicherheitstheoretischer Sicht sind redundante Tragwerke sog. gemischte Systeme ([2] und Abb. links/Mitte). Das heißt, dass das Versagen eines Elements nicht zwingend das Gesamtversagen des Tragwerks zur Folge hat. Kenngrößen, wie Zuverlässigkeitsindizes, sind eine Grundlage bestehender semi-probabilistischer Sicherheits- und Nachweiskonzepte, welche in der praktischen Tragwerksplanung angewandt werden. Diese Kenngrößen basieren auf stochastischer Grundlage und spiegeln definierte Versagenswahrscheinlichkeiten wider [2].
Ziel dieser Arbeit ist die Betrachtung redundanter Stabtragwerke aus sicherheits- und zuverlässigkeitstheoretischer Sicht. Dabei sollen an Stabtragwerken Zuverlässigkeitsberechnungen durchgeführt und Analysen in Bezug auf vorhandene Redundanzen vorgenommen werden. Untersuchungen, inwieweit die Redundanzverteilung in semi-probabilistische Konzepte (z.B. Teilsicherheitskonzept, Nachweise im GZT) bereits eingehen, sind wünschenswert.
Teilaufgaben
- Literaturstudium zu Redundanzverteilung sowie Sicherheits- und Zuverlässigkeitstheorie
- Durchführung von Zuverlässigkeitsberechnungen an ausgewählten Stabtragwerken
- Analysen bestehender Sicherheitskonzepte bzgl. Berücksichtigung von Redundanzvert.
- Studien an verschiedenen Stabtragwerken und sorgfältige Dokumentation
Empfohlene Interessengebiete
Baustatik, Sicherheit und Zuverlässigkeit
Literatur
[1] von Scheven, M.; Ramm, E.; Bischoff, M.: Quantification of the redundancy distribution in truss and beam structures. Int. J. Sol. Str. 213, pp. 41-49, 2021.
[2] Fischer, L.: Sicherheitskonzept für neue Normen, Bautechnik 76, Heft 10, S. 921-932.
[3] Kou, X.; Li, L.; Zhou, Y.; Song, J.: Redundancy Component Matrix and Structural Robustness, Int. J. Civ. Env. Eng. 11, No. 8, pp. 1155-1160.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Berechnung von Kugel- und Kegelschalen nach der Biegetheorie
Schlanke Schalenstrukturen zeichnen sich durch ihre hohe Effizienz im Lastabtrag aus und werden daher in zahlreichen technischen Anwendungen eingesetzt. Idealerweise erfolgt die Beanspruchung ausschließlich durch Membrankräfte, wodurch eine optimale Materialausnutzung gewährleistet wird. In der Praxis weichen die Belastungszustände jedoch häufig von diesem Idealzustand ab, sodass Biegestörungen auftreten. Insbesondere aus Gleichgewicht resultierende Biegemomente können lokal zu erheblichen Spannungen führen und müssen daher systematisch analysiert und bewertet werden.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist die vertiefte Analyse von Kugel- und Kegelschalen nach der Biegetheorie. Hierzu werden analytische Berechnungsmodelle entwickelt, um die Abhängigkeit der Biegestörungen von relevanten Geometrie- und Materialparametern zu untersuchen. Die Wahl der Programmiersprache (z. B. Maple oder Python) bleibt dabei frei.
Teilaufgaben
- Umfassende Literaturrecherche zur Biegetheorie von Schalenstrukturen.
- Entwicklung parametrischer Berechnungsmodelle zur Analyse von Kugel- und Kegelschalen basierend auf der Biegetheorie.
- Systematische Untersuchung der Einflussfaktoren auf Biegestörungen.
- Strukturierte Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse.
Empfohlene Interessengebiete
Schalentheorie, Strukturmechanik
Literatur
Flügge, Wilhelm: Statik und Dynamik der Schalen. Springer-Verlag, 2013.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Beulprobleme bei Zylinderschalen – Analyse und Modell
Zylinderschalen haben eine weite Verbreitung in technischen Anwendungen und im Bauwesen, beispielsweise als industrielle Silos oder in Form von Rohrleitungen. Bei der Bemessung von Zylinderschalen muss auch ein Beulen der Struktur, also ein Ausweichen in Richtung der Flächennormale, ausgeschlossen werden. Besonders kritisch sind hierbei Belastungen in axialer Richtung, da es bei einem Beulen der Struktur zu einem schlagartigen Versagen kommt. Die vorliegende Bachelorarbeit widmet sich daher der eingehenden Untersuchung von Beulproblemen bei Zylinderschalen unter Axialbelastung sowie dem Konzept und Bau eines Modells zur Veranschaulichung dieses Phänomens.
Ziel der Bachelorarbeit ist es, ein Anschauungsmodell zum Zylinderbeulen unter Axiallast im Makerspace der Universität zu realisieren. Hierzu soll zunächst die Beulast von Zylinderschalen mittels verschiedener Berechnungsmethoden abgeschätzt werden. Nach Realisation des Anschauungsmodells soll ein Vergleich zwischen den berechneten Beulasten und der tatsächlichen Beulast des Modells durchgeführt werden. Die Arbeit trägt maßgeblich dazu bei, ein vertieftes Verständnis für Beulprobleme zu entwickeln und deren praxisnahe Veranschaulichung in der Lehre zu verbessern.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zu Beulversagen von Zylinderschalen.
- Berechnung der Beullast von Zylinderschalen nach verschiedenen Ansätzen.
- Entwurf und Umsetzung eines Anschauungsmodells für Zylinderbeulen unter Axiallast.
- Vergleich der berechneten Beullast mit der tatsächlichen Beullast des Modells.
- Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse.
Empfohlene Interessengebiete
Schalentragwerke, Modellbau
Literatur
Teng, J.G.; Rotter, J.M. (2006). Buckling of thin metal shells, CRC Press, London.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Bogenkonstruktionen aus Schnee und Eis
Bogentragwerke sind gekrümmte Balkenstrukturen und zählen zu den ältesten Bauweisen. Für einen sog. formbestimmenden Lastfall kann eine bestimmte Bogengeometrie gefunden werden, bei der die Lasten ausschließlich über Druckkräfte abgetragen werden. Materialien mit geringer Zugfestigkeit können so effizient genutzt werden. In arktischen Regionen werden Schnee und Eis vor allem in touristischen Bereichen häufig als Baumaterialien für temporäre Tragkonstruktionen verwendet. Aufgrund der geringen Zugfestigkeit von Schnee und Eis eignen sich bogen- und kuppelförmige Strukturen besonders gut. Gleichzeitig müssen jedoch spezifische Materialeigenschaften wie das Kriechverhalten und die Viskosität sowie Streuungen der Materialparameter und Ausführungsungenauigkeiten berücksichtigt werden.
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse von Bogenkonstruktionen aus Schnee und Eis hinsichtlich ihrer Form und ihrer Sensitivität gegenüber Streuungen von Materialeigenschaften sowie Abweichungen von der optimalen Bogengeometrie und der Lasten vom formbestimmenden Lastfall. Dabei sollen analytische Berechnungen mithilfe eines Computeralgebrasystems (z. B. Maple) sowie numerischen Verfahren eingesetzt werden.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zu Bogenkonstruktionen
- Untersuchung verschiedener Bogenformen für Konstruktionen aus Schnee und Eis
- Systematische Sensitivitätsanalyse für relevante Geometrie- und Materialparameter sowie Abweichungen der tatsächlichen Lasten vom formbestimmenden Lastfall
- Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse
Empfohlene Interessengebiete
Bogentragwerke, analytische Methoden und Modellierung in der Baustatik
Literatur
Järvenpää, E.; Niemi, A.; Järvenpää, M.-E. (2024): Vaults in snow constructions. Rakenteiden Mekaniikka (Journal of Structural Mechanics), 57(4), 2024, S. 138–156
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Graphische Darstellung von Flexibilitäten bei Stabtragwerken
Neben der Untersuchung von Schnitt- und Verschiebungsgrößen, die als Reaktion einer Struktur auf eine gegebene Last auftreten, gibt es auch lastfallunabhängige Methoden zur Analyse von Tragwerken. Eine Möglichkeit dazu bieten sogenannte Flexibilitätsellipsen zur Untersuchung von Fachwerken. Diese Methode stammt ursprünglich aus dem Bereich der Geodäsie, wo Sie zur Fehleruntersuchung von Netzen verwendet wird. Sie kann aber auch auf Stabtragwerke angewandt werden [1].
Bei Fachwerken wird um jedem freien Knoten eine Ellipse, bzw. bei räumlichen Fachwerken ein Ellipsoid, gezeichnet. Dieses liefert Informationen über die Flexibilität des Knotens. Je größer der Radius in eine Richtung, desto geringer ist der Widerstand dieses Knotens gegen eine Verschiebung durch eine aufgebrachte Last in diese Richtung.
Ziel der Arbeit ist es sich zunächst einen Überblick über Flexibilitätsellipsen ebener Fachwerke zu verschaffen. Darauf aufbauend sollen die Berechnung und Darstellung in einer Programmiersprache der Wahl implementiert werden. In einem weiteren Schritt soll das Konzept auf ebene Balkentragwerke übertragen werden und inklusive einer graphischen Darstellung implementiert werden. Dabei ist insbesondere der zusätzliche Rotationsfreiheitsgrad des Balkens von Interesse, da seine Flexibilität nicht mehr intuitiv durch Ellipsenradii dargestellt werden kann.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zum Thema Flexibilitätsellipsen
- Implementierung einer geeigneten Darstellung der Flexibilitätsellipsen
- Entwicklung einer Methode zur graphischen Darstellung von Flexibilitäten ebener Balkentragwerke
- Zusammenfassung der Ergebnisse
Empfohlene Interessengebiete
Baustatik, Programmieren, Computergestützte Berechnungsmethoden
Literatur
Literatur [1] Ströbel, D.; (1995): Die Anwendung der Ausgleichungsrechnung auf elastomechanische Systeme. Universität Stuttgart, Dissertation.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Optimierte Montageabfolge von Tragwerken mithilfe der Redundanzmatrix
Beim Entwurf und der Konstruktion von Tragwerken sind neben den Schnittgrößen aus äußeren Lasten auch Zwangskräfte, die z. B. durch Temperaturänderungen, Setzungen oder Imperfektionen verursacht werden, von entscheidender Bedeutung. Diese Zwänge können ungewollte Spannungen und Dehnungen hervorrufen, die unter anderem die Tragfähigkeit eines Bauwerks gefährden können. Zwangsspannungen können auch durch temporäre Montage- Hilfsstützen, welche zur Verhinderung des Versagens durch etwaige Kinematiken eines Zwischenzustands oft unerlässlich sind, entstehen. Insbesondere bei vielfach statisch unbestimmten Konstruktionen sollten deshalb Zwangskräfte reduziert werden, während sich im Vergleich dazu statisch bestimmte Konstruktionen zwangsfrei an äußere Einflüsse anpassen können.
Ein Hilfsmittel zur Bestimmung einer optimierten Montageabfolge kann hierbei die Redundanzmatrix sein, die die Verteilung der statischen Unbestimmtheit im Tragwerk angibt und deren Einträge auch ein direktes Maß für die Imperfektionsempfindlichkeit eines Bauwerks und seiner einzelnen Bauteile ist.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methodik zur optimierten Montageabfolge für statisch unbestimmte Tragwerke zu entwickeln. Hierbei sollen zunächst die Grundlagen der Redundanzmatrix, deren Verbindung zur statischen Unbestimmtheit und deren Einfluss von auf Zwangsdehnungen untersucht werden. Anschließend soll mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse ein Algorithmus zur Reduktion von Zwängen im Montageablauf entwickelt werden und anhand numerischer Simulationen untersucht werden.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zum Thema Redundanzmatrix und Montageabfolge
- Entwicklung eines Algorithmus zur Optimierung der Montageabfolge
- Numerische Untersuchungen
- Zusammenfassung und Beurteilung der Ergebnisse
Empfohlene Interessengebiete
Baustatik, Programmierung, Redundanzmatrix, Optimierung
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Statische Untersuchung von Seilnetztragwerken am Beispiel des Gebäudes des Instituts für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren
Die von Frei Otto und Wladimir Schuchow entwickelten Seilnetztragwerke sind sehr friligrane Konstruktionen, welche in der Lage sind große Flächen zu überspannen [1]. Ein besonders prägnantes Beispiel für Seilnetzkonstruktionen ist das Gebäude des Instituts für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren am Campus Vaihingen. Im Rahmen dieser Arbeit sollen Seilnetztragwerke anhand dieses Bauwerks untersucht werden. Dabei soll insbesondere der Lastabtrag und das Tragverhalten analysiert werden. Dies soll mithilfe kommerzieller Software erfolgen.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zu Seilnetzen
- Eingehende Beschreibung des Tragverhaltens von Seilnetzen
- Statische Analyse des Gebäudes Pfaffenwaldring 14 (ILEK-Zelt)
- Zusammenfassung und Dokumentation der Ergebnisse
Empfohlene Interessengebiete
nichtlineare Baustatik, Flächentragwerke, kommerzielle Berechnungsprogramme
Literatur
[1] Ströbel, D. ; Singer, P. ; Oswald, R.: Seilnetze – Eigenschaften, Besonderheiten bei der Montage, Lastabtragung. Stahlbau (2007), Heft 5, S. 289–296.
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Strukturmechanische Analyse von vorgespannten Wintersportgeräten
Ziel der Arbeit ist es, die mechanischen Eigenschaften und das Verhalten dieser Sportgeräte unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu untersuchen und zu verstehen.
Im Rahmen der Arbeit sollen zunächst die theoretischen Grundlagen der Vorspannung und der Strukturmechanik erarbeitet werden. Dies beinhaltet eine detaillierte Literaturrecherche zu den verwendeten Materialien von Wintersportgeräten, den Herstellungsprozessen sowie den spezifischen Anforderungen und Belastungen, denen Skier und Snowboards im Einsatz ausgesetzt sind.
Auf Basis dieser Grundlagen sollen analytische und numerische Modelle entwickelt werden, um das Verhalten der vorgespannten Skier und Snowboards zu simulieren. Die Modelle sollen die Einflüsse verschiedener Parameter wie Vorspannungsgrad, Materialeigenschaften und Geometrie auf die Strukturperformance der Geräte abbilden.
Abschließend soll die Arbeit Empfehlungen für die Optimierung des Designs und der Vorspannung von Skiern und Snowboards geben, um deren Performance zu verbessern.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zu Material, Anforderungen und Herstellungsprozessen von vorgespannten Wintersportgeräten.
- Sinnvolle Wahl von analytischen und numerischen Modellen und repräsentativen Lastfälle.
- Simulation der unterschiedlichen Belastungsarten an verschiedenen Designs und Vergleich der Ergebnisse.
- Empfehlung für optimale Designs und Vorspannung für Wintersportgeräte und Validierung mittels Abgleich mit gängigen Skitypen.
Empfohlene Interessengebiete
Nichtlineare Baustatik, Modellierung
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
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Visualisierung von Steifigkeiten
Immer häufiger finden lastfallunabhängige Ansätze Anwendung bei der Tragwerksbewertung. Die Herausforderung besteht jedoch oft darin, eine geeignete und verständliche Visualisierung zu finden. Für die Visualisierung von Flexibilitäten eines Stabwerks gibt es sogenannte Fehlerellipsen. Ein weiteres wichtiges Kriterium zur Beurteilung von Tragwerken sind die Steifigkeiten.
Die Steifigkeit eines Tragwerks hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. den Materialeigenschaften, der Geometrie, der Topologie und wird für jeden Freiheitsgrad ermittelt. Diese Zusammenhänge zu verstehen und visuell darzustellen, ist essenziell für den Entwurf, die Analyse und Optimierung von Tragwerken. Eine geeignete (grafische) Darstellung bietet eine intuitive Möglichkeit, das Verhalten eines Tragwerks unter verschiedenen Bedingungen zu beurteilen. Insbesondere lassen sich durch Visualisierungen Schwachstellen oder Potenziale für Materialeinsparungen identifizieren.
Ziel der Arbeit ist es, Steifigkeitsmatrizen von Stabtragwerken zu analysieren und die Ergebnisse anschaulich aufzubereiten. Dazu soll sich zunächst ein Überblick über die Ermittlung und Visualisierung von Fehlerellipsen verschafft werden. Anschließend soll die Idee der grafischen Darstellung auf Steifigkeiten angewendet werden. Hierbei ist speziell die Berücksichtigung der Nebendiagonalterme Kij von Interesse, welche die Interaktion zweier Freiheitsgrade beschreibt.
Teilaufgaben
- Literaturrecherche zum Thema Fehlerellipsen, Steifigkeitsmatrix und Visualisierung
- Implementierung geeigneter Darstellungen
- Zusammenfassung und Beurteilung der Ergebnisse
Empfohlene Interessengebiete
Baustatik, Programmieren, Visualisierung
| Typ: | Bachelorarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
|
| Prüfende: | Malte von Scheven E-Mail Manfred Bischoff E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Stabilized Hierarchic Rotation Formulations for Beams and Plates
Finite elements based on classical shear-deformable beam and plate models entail transverse displacements and total rotations of the cross-section as unknowns. Despite their simplicity, these models suffer from transverse shear locking, resulting in poor coarse-mesh accuracy. Although several remedies exist to alleviate locking, many are not easily scalable to newly evolving discretization methods such as isogeometric analysis (IGA) or meshless methods. To address this, hierarchic rotation (HR) [1] and hierarchic displacement (HD) [2] formulations were developed. The HR formulation uses shear rotations instead of total rotations as unknowns, while the HD formulation uses shear displacements. Both formulations are intrinsically locking-free, i.e., they are locking-free independent of the discretization method. However, unlike the HD model, the HR model displays oscillations of shear forces near the boundaries. The Galerkin/Least Squares (GLS) [3] method is a well-known stabilization technique in fluid mechanics that can help to reduce such oscillations.
In this thesis, the HR formulations for shear-deformable beams and plates ought to be investigated and stabilized to mitigate the oscillating shear forces. Problem setups with varying loading and boundary conditions (BCs) have to be studied to identify the cases triggering the oscillations. The HR model should be stabilized using the GLS approach, and a suitable GLS parameter should be identified to improve shear force accuracy. The resulting formulations have to be implemented and studied for several 1D and 2D boundary-value problems (BVPs). Results should be compared with standard and HD models.
The specific tasks are
• Analyze the HR model to identify cases that trigger oscillations.
• Implement GLS-stabilized HR formulations for beams and plates in an IGA framework.
• Determine an appropriate GLS parameter to improve shear-force accuracy.
• Evaluate the performance by comparing it with standard and HD models.
Recommended fields of interest
Finite element method, isogeometric analysis, locking, programming
Literature
[1] Echter, R., Oesterle, B., Bischoff, M., 2013. A hierarchic family of isogeometric shell finite elements. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 254, 170–180.
[2] Oesterle, B., Ramm, E., Bischoff, M., 2016. A shear deformable, rotation-free isogeometric shell formulation. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 307, 235–255.
[3] Donéa, J., Huerta, A., 2003. Finite element methods for flow problems. Wiley, New York.
| Typ: | Masterarbeit |
|---|---|
| Einrichtung: | Baustatik und Baudynamik (020300) |
| Betreuende: |
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| Prüfende: | Manfred Bischoff E-Mail Malte von Scheven E-Mail |
| Link: | Zu C@MPUS |
Es besteht die Möglichkeit, an der Fakultät Architektur und Stadtplanung zu habilitieren.
Der Ablauf des Habilitationsverfahrens ist in der aktuellen Habilitationsordnung der Universität Stuttgart vom 6. September 2006 und durch Satzung zur Änderung der Habilitationsordnung der Universität Stuttgart vom 1. März 2010 geregelt. Die Beilage der Fakultät 1 Architektur und Stadtplanung beschreibt konkret die Anforderungen für die Annahme einer Habilitation an unserer Fakultät.
Die Ankündigung der Habilitationsabsicht sowie das Habilitationsgesuch werden im Habilitationsausschuss der Fakultät behandelt. Dieser tagt nur bei Bedarf. In der Regel finden die Sitzungen am gleichen Tag wie die Sitzungen des Großen Fakultätsrates und des Promotionsausschusses statt.