Experimental and Data-driven Workflows for Microstructure-based Damage Prediction

Materialermüdung ist die häufigste Ursache für mechanisches Versagen. Die Degradationsmechanismen, welche die Lebensdauer von Bauteilen bei vergleichsweise ausgeprägten zyklischen Belastungen bestimmen, sind gut bekannt. Bei Belastungen im makroskopisch elastischen Bereich hingegen, der (sehr) hochzyklischen Ermüdung, bestimmen die innere Struktur eines Werkstoffs und die Wechselwirkung kristallografischer Defekte die Lebensdauer. Unter diesen Umständen sind die inneren Degradationsphänomene auf der mikroskopischen Skala weitgehend reversibel und führen nicht zur Bildung kritischer Schädigungen, die kontinuierlich wachsen können. Allerdings sind einige Kornensembles in polykristallinen Metallen, je nach den lokalen mikrostrukturellen Gegebenheiten, anfällig für Schädigungsinitiierung, Rissbildung und -wachstum und wirken daher als Schwachstellen. Daher weisen Bauteile, die solchen Belastungen ausgesetzt sind, oft eine ausgeprägte Lebensdauerstreuung auf. Die Tatsache, dass ein umfassendes mechanistisches Verständnis für diese Degradationsprozesse in verschiedenen Werkstoffen nicht vorliegt, hat zur Folge, dass die derzeitigen Modellierungsbemühungen die mittlere Lebensdauer und ihre Varianz in der Regel nur mit unbefriedigender Genauigkeit vorhersagen. Dies wiederum erschwert die Bauteilauslegung und macht die Nutzung von Sicherheitsfaktoren während des Dimensionierungsprozesses erforderlich. Abhilfe kann geschaffen werden, indem umfangreiche Daten zu Einflussfaktoren und deren Wirkung auf die Bildung initialer Ermüdungsschädigungen erhoben werden. Die Datenknappheit wirkt sich nach wie vor negativ auf Datenwissenschaftler und Modellierungsexperten aus, die versuchen, trotz geringer Stichprobengröße und unvollständigen Merkmalsräumen, mikrostrukturelle Abhängigkeiten abzuleiten, datengetriebene Vorhersagemodelle zu trainieren oder physikalische, regelbasierte Modelle zu parametrisieren. Die Tatsache, dass nur wenige kritische Schädigungen bezogen auf das gesamte Probenvolumen auftreten und die hochzyklische Ermüdung eine Vielzahl unterschiedlicher Abhängigkeiten aufweist, impliziert einige Anforderungen an die Datenerfassung und -verarbeitung. Am wichtigsten ist, dass die Messtechniken so empfindlich sind, dass nuancierte Schwankungen im Probenzustand erfasst werden können, dass die gesamte Routine effizient ist und dass die korrelative Mikroskopie räumliche Informationen aus verschiedenen Messungen miteinander verbindet. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, einen Workflow zu etablieren, der den Datenmangel behebt, so dass die zukünftige virtuelle Auslegung von Komponenten effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger gestaltet werden kann. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein kombinierter experimenteller und datenverarbeitender Workflow vorgeschlagen, um multimodale Datensätze zu Ermüdungsschädigungen zu erzeugen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Auftreten von lokalen Gleitbändern, der Rissinitiierung und dem Wachstum mikrostrukturell kurzer Risse. Der Workflow vereint die Ermüdungsprüfung von mesoskaligen Proben, um die Empfindlichkeit der Schädigungsdetektion zu erhöhen, die ergänzende Charakterisierung, die multimodale Registrierung und Datenfusion der heterogenen Daten, sowie die bildverarbeitungsbasierte Schädigungslokalisierung und -bewertung. Mesoskalige Biegeresonanzprüfung ermöglicht das Erreichen des hochzyklischen Ermüdungszustands in vergleichsweise kurzen Zeitspannen bei gleichzeitig verbessertem Auflösungsvermögen der Schädigungsentwicklung. Je nach Komplexität der einzelnen Bildverarbeitungsaufgaben und Datenverfügbarkeit werden entweder regelbasierte Bildverarbeitungsverfahren oder Repräsentationslernen gezielt eingesetzt. So sorgt beispielsweise die semantische Segmentierung von Schädigungsstellen dafür, dass wichtige Ermüdungsmerkmale aus mikroskopischen Abbildungen extrahiert werden können. Entlang des Workflows wird auf einen hohen Automatisierungsgrad Wert gelegt. Wann immer möglich, wurde die Generalisierbarkeit einzelner Workflow-Elemente untersucht. Dieser Workflow wird auf einen ferritischen Stahl (EN 1.4003) angewendet. Der resultierende Datensatz verknüpft unter anderem große verzerrungskorrigierte Mikrostrukturdaten mit der Schädigungslokalisierung und deren zyklischer Entwicklung. Im Zuge der Arbeit wird der Datensatz wird im Hinblick auf seinen Informationsgehalt untersucht, indem detaillierte, analytische Studien zur einzelnen Schädigungsbildung durchgeführt werden. Auf diese Weise konnten unter anderem neuartige, quantitative Erkenntnisse über mikrostrukturinduzierte plastische Verformungs- und Rissstopmechanismen gewonnen werden. Darüber hinaus werden aus dem Datensatz abgeleitete kornweise Merkmalsvektoren und binäre Schädigungskategorien verwendet, um einen Random-Forest-Klassifikator zu trainieren und dessen Vorhersagegüte zu bewerten. Der vorgeschlagene Workflow hat das Potenzial, die Grundlage für künftiges Data Mining und datengetriebene Modellierung mikrostrukturempfindlicher Ermüdung zu legen. Er erlaubt die effiziente Erhebung statistisch repräsentativer Datensätze mit gleichzeitig hohem Informationsgehalt und kann auf eine Vielzahl von Werkstoffen ausgeweitet werden

The State of the Art of Information Integration in Space Applications

This paper aims to present a comprehensive survey on information integration (II) in space informatics. With an ever-increasing scale and dynamics of complex space systems, II has become essential in dealing with the complexity, changes, dynamics, and uncertainties of space systems. The applications of space II (SII) require addressing some distinctive functional requirements (FRs) of heterogeneity, networking, communication, security, latency, and resilience; while limited works are available to examine recent advances of SII thoroughly. This survey helps to gain the understanding of the state of the art of SII in sense that (1) technical drivers for SII are discussed and classified; (2) existing works in space system development are analyzed in terms of their contributions to space economy, divisions, activities, and missions; (3) enabling space information technologies are explored at aspects of sensing, communication, networking, data analysis, and system integration; (4) the importance of first-time right (FTR) for implementation of a space system is emphasized, the limitations of digital twin (DT-I) as technological enablers are discussed, and a concept digital-triad (DT-II) is introduced as an information platform to overcome these limitations with a list of fundamental design principles; (5) the research challenges and opportunities are discussed to promote SII and advance space informatics in future

New Directions for Contact Integrators

Contact integrators are a family of geometric numerical schemes which guarantee the conservation of the contact structure. In this work we review the construction of both the variational and Hamiltonian versions of these methods. We illustrate some of the advantages of geometric integration in the dissipative setting by focusing on models inspired by recent studies in celestial mechanics and cosmology.Comment: To appear as Chapter 24 in GSI 2021, Springer LNCS 1282

Proceedings of the NASA Conference on Space Telerobotics, volume 1

The theme of the Conference was man-machine collaboration in space. Topics addressed include: redundant manipulators; man-machine systems; telerobot architecture; remote sensing and planning; navigation; neural networks; fundamental AI research; and reasoning under uncertainty

ISIPTA'07: Proceedings of the Fifth International Symposium on Imprecise Probability: Theories and Applications

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From Assessing to Conserving biodiversity. Conceptual and Practical Challenges

This open access book features essays written by philosophers, biologists, ecologists and conservation scientists facing the current biodiversity crisis. Despite increasing communication, accelerating policy and management responses, and notwithstanding improving ecosystem assessment and endangered species knowledge, conserving biodiversity continues to be more a concern than an accomplished task. Why is it so? The overexploitation of natural resources by our species is a frequently recognised factor, while the short-term economic interests of governments and stakeholders typically clash with the burdens that implementing conservation actions imply. But this is not the whole story. This book develops a different perspective on the problem by exploring the conceptual challenges and practical defiance posed by conserving biodiversity, namely: on the one hand, the difficulties in defining what biodiversity is and characterizing that “thing” to which the word ‘biodiversity’ refers to; on the other hand, the reasons why assessing biodiversity and putting in place effective conservation actions is arduous. ; Features essays that are explicitly critical of the species approach to biodiversity Presents bio-philosophical perspectives on the interaction between biodiversity’s units, levels, and scales Serves as an interdisciplinary contribution to the emergent field of biodiversity studie

An Objective Non-Reference Metric Based on Arimoto Entropy for Assessing the Quality of Fused Images

In the technologies, increasing attention is being paid to image fusion; nevertheless, how to objectively assess the quality of fused images and the performance of different fusion algorithms is of significance. In this paper, we propose a novel objective non-reference measure for evaluating image fusion. This metric employs the properties of Arimoto entropy, which is a generalization of Shannon entropy, measuring the amount of information that the fusion image contains about two input images. Preliminary experiments on multi-focus images and multi-modal images using the average fusion algorithm, contrast pyramid, principal component analysis, laplacian pyramid, guided filtering and discrete cosine transform have been implemented. In addition, a comparison has been conducted with other relevant quality metrics of image fusion such as mutual information, normalized mutual information, Tsallis divergence and the Petrovic measure. The experimental results illustrate that our presented metric correlates better with the subjective criteria of these fused images

Untangling hotel industry’s inefficiency: An SFA approach applied to a renowned Portuguese hotel chain

The present paper explores the technical efficiency of four hotels from Teixeira Duarte Group - a renowned Portuguese hotel chain. An efficiency ranking is established from these four hotel units located in Portugal using Stochastic Frontier Analysis. This methodology allows to discriminate between measurement error and systematic inefficiencies in the estimation process enabling to investigate the main inefficiency causes. Several suggestions concerning efficiency improvement are undertaken for each hotel studied.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

LSST Science Book, Version 2.0

A survey that can cover the sky in optical bands over wide fields to faint magnitudes with a fast cadence will enable many of the exciting science opportunities of the next decade. The Large Synoptic Survey Telescope (LSST) will have an effective aperture of 6.7 meters and an imaging camera with field of view of 9.6 deg^2, and will be devoted to a ten-year imaging survey over 20,000 deg^2 south of +15 deg. Each pointing will be imaged 2000 times with fifteen second exposures in six broad bands from 0.35 to 1.1 microns, to a total point-source depth of r~27.5. The LSST Science Book describes the basic parameters of the LSST hardware, software, and observing plans. The book discusses educational and outreach opportunities, then goes on to describe a broad range of science that LSST will revolutionize: mapping the inner and outer Solar System, stellar populations in the Milky Way and nearby galaxies, the structure of the Milky Way disk and halo and other objects in the Local Volume, transient and variable objects both at low and high redshift, and the properties of normal and active galaxies at low and high redshift. It then turns to far-field cosmological topics, exploring properties of supernovae to z~1, strong and weak lensing, the large-scale distribution of galaxies and baryon oscillations, and how these different probes may be combined to constrain cosmological models and the physics of dark energy.Comment: 596 pages. Also available at full resolution at http://www.lsst.org/lsst/sciboo