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    Барицентрические координаты Пуассона — Римана

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    The article deals with the problem of finding barycentric coordinates for arbitrary, simply connected, closed, discrete regions that are defined in and . Barycentric coordinates are given by a set of scalar parameters that unambiguously define a point of the affine space inside a simply connected, closed, discrete region through a specified point basis, which is given by the vertices of the region. Barycentriс coordinates being defined for the simply connected, closed, discrete region are harmonic and satisfy the properties of affine invariance, positive definiteness and equality to unit. The solution is based on the Riemann theorem on the uniqueness of conformal mapping and the Poisson integral formula for the ball. The paper shows the examples of approximation of the potential inside arbitrary, simply connected, closed, discrete regions using the proposed method, compared with the approximation using the finite element method.В статье выполнено решение задачи нахождения барицентрических координат для произвольных односвязных замкнутых дискретных областей, заданных в и . Барицентрические координаты задаются набором скалярных параметров, однозначно определяющих точку аффинного пространства внутри односвязной замкнутой дискретной области через заданный точечный базис. Точечный базис задается вершинами односвязной замкнутой дискретной области. Определяемые барицентрические координаты для односвязной замкнутой дискретной области являются гармоническими и удовлетворяют свойствам аффинной инвариантности, положительной определенности и равенстве единице. Решение основано на теореме Римана о единственности конформного отображения и интегральной формуле Пуассона для шара. Приведены примеры аппроксимации потенциала внутри произвольных односвязных замкнутых дискретных областей по предложенному методу в сравнении с аппроксимацией методом конечных элементов

    Preface

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    Higher-order reverse automatic differentiation with emphasis on the third-order

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    It is commonly assumed that calculating third order information is too expensive for most applications. But we show that the directional derivative of the Hessian ( D3f(x)⋅d ) can be calculated at a cost proportional to that of a state-of-the-art method for calculating the Hessian matrix. We do this by first presenting a simple procedure for designing high order reverse methods and applying it to deduce several methods including a reverse method that calculates D3f(x)⋅d . We have implemented this method taking into account symmetry and sparsity, and successfully calculated this derivative for functions with a million variables. These results indicate that the use of third order information in a general nonlinear solver, such as Halley–Chebyshev methods, could be a practical alternative to Newton’s method. Furthermore, high-order sensitivity information is used in methods for robust aerodynamic design. An efficient high-order differentiation tool could facilitate the use of similar methods in the design of other mechanical structures

    Combining Parameterizations, Sobolev Methods and Shape Hessian Approximations for Aerodynamic Design Optimization

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    Aerodynamic design optimization, considered in this thesis, is a large and complex area spanning different disciplines from mathematics to engineering. To perform optimizations on industrially relevant test cases, various algorithms and techniques have been proposed throughout the literature, including the Sobolev smoothing of gradients. This thesis combines the Sobolev methodology for PDE constrained flow problems with the parameterization of the computational grid and interprets the resulting matrix as an approximation of the reduced shape Hessian. Traditionally, Sobolev gradient methods help prevent a loss of regularity and reduce high-frequency noise in the derivative calculation. Such a reinterpretation of the gradient in a different Hilbert space can be seen as a shape Hessian approximation. In the past, such approaches have been formulated in a non-parametric setting, while industrially relevant applications usually have a parameterized setting. In this thesis, the presence of a design parameterization for the shape description is explicitly considered. This research aims to demonstrate how a combination of Sobolev methods and parameterization can be done successfully, using a novel mathematical result based on the generalized Faà di Bruno formula. Such a formulation can yield benefits even if a smooth parameterization is already used. The results obtained allow for the formulation of an efficient and flexible optimization strategy, which can incorporate the Sobolev smoothing procedure for test cases where a parameterization describes the shape, e.g., a CAD model, and where additional constraints on the geometry and the flow are to be considered. Furthermore, the algorithm is also extended to One Shot optimization methods. One Shot algorithms are a tool for simultaneous analysis and design when dealing with inexact flow and adjoint solutions in a PDE constrained optimization. The proposed parameterized Sobolev smoothing approach is especially beneficial in such a setting to ensure a fast and robust convergence towards an optimal design. Key features of the implementation of the algorithms developed herein are pointed out, including the construction of the Laplace-Beltrami operator via finite elements and an efficient evaluation of the parameterization Jacobian using algorithmic differentiation. The newly derived algorithms are applied to relevant test cases featuring drag minimization problems, particularly for three-dimensional flows with turbulent RANS equations. These problems include additional constraints on the flow, e.g., constant lift, and the geometry, e.g., minimal thickness. The Sobolev smoothing combined with the parameterization is applied in classical and One Shot optimization settings and is compared to other traditional optimization algorithms. The numerical results show a performance improvement in runtime for the new combined algorithm over a classical Quasi-Newton scheme

    Phase-space iterative solvers

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    I introduce a new iterative method to solve problems in small-strain non-linear elasticity. The method is inspired by recent work in data-driven computational mechanics, which reformulated the classic boundary value problem of continuum mechanics using the concept of "phase space". The latter is an abstract metric space, whose coordinates are indexed by strains and stress components, where each possible state of the discretized body corresponds to a point. Since the phase space is associated to the discretized body, it is finite dimensional. Two subsets are then defined: an affine space termed "physically-admissible set" made up by those points that satisfy equilibrium and a "materially-admissible set" containing points that satisfy the constitutive law. Solving the boundary-value problem amounts to finding the intersection between these two subdomains. In the linear-elastic setting, this can be achieved through the solution of a set of linear equations; when material non-linearity enters the picture, such is not the case anymore and iterative solution approaches are necessary. Our iterative method consists on projecting points alternatively from one set to the other, until convergence. The method is similar in spirit to the "method of alternative projections" and to the "method of projections onto convex sets", for which there is a solid mathematical foundation that furnishes conditions for existence and uniqueness of solutions, upon which we rely to uphold our new method's performance. We present two examples to illustrate the applicability of the method, and to showcase its strengths when compared to the classic Newton-Raphson method, the usual tool of choice in non-linear continuum mechanics.Comment: 22 pages, 7 tables, 6 figure

    Research in structural and solid mechanics, 1982

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    Advances in structural and solid mechanics, including solution procedures and the physical investigation of structural responses are discussed

    Surface Deformation Potentials on Meshes for Computer Graphics and Visualization

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    Shape deformation models have been used in computer graphics primarily to describe the dynamics of physical deformations like cloth draping, collisions of elastic bodies, fracture, or animation of hair. Less frequent is their application to problems not directly related to a physical process. In this thesis we apply deformations to three problems in computer graphics that do not correspond to physical deformations. To this end, we generalize the physical model by modifying the energy potential. Originally, the energy potential amounts to the physical work needed to deform a body from its rest state into a given configuration and relates material strain to internal restoring forces that act to restore the original shape. For each of the three problems considered, this potential is adapted to reflect an application specific notion of shape. Under the influence of further constraints, our generalized deformation results in shapes that balance preservation of certain shape properties and application specific objectives similar to physical equilibrium states. The applications discussed in this thesis are surface parameterization, interactive shape editing and automatic design of panorama maps. For surface parameterization, we interpret parameterizations over a planar domain as deformations from a flat initial configuration onto a given surface. In this setting, we review existing parameterization methods by analyzing properties of their potential functions and derive potentials accounting for distortion of geometric properties. Interactive shape editing allows an untrained user to modify complex surfaces, be simply grabbing and moving parts of interest. A deformation model interactively extrapolates the transformation from those parts to the rest of the surface. This thesis proposes a differential shape representation for triangle meshes leading to a potential that can be optimized interactively with a simple, tailored algorithm. Although the potential is not physically accurate, it results in intuitive deformation behavior and can be parameterized to account for different material properties. Panorama maps are blends between landscape illustrations and geographic maps that are traditionally painted by an artist to convey geographic surveyknowledge on public places like ski resorts or national parks. While panorama maps are not drawn to scale, the shown landscape remains recognizable and the observer can easily recover details necessary for self location and orientation. At the same time, important features as trails or ski slopes appear not occluded and well visible. This thesis proposes the first automatic panorama generation method. Its basis is again a surface deformation, that establishes the necessary compromise between shape preservation and feature visibility.Potentiale zur Flächendeformation auf Dreiecksnetzen für Anwendungen in der Computergrafik und Visualisierung Deformationsmodelle werden in der Computergrafik bislang hauptsächlich eingesetzt, um die Dynamik physikalischer Deformationsprozesse zu modellieren. Gängige Beispiele sind Bekleidungssimulationen, Kollisionen elastischer Körper oder Animation von Haaren und Frisuren. Deutlich seltener ist ihre Anwendung auf Probleme, die nicht direkt physikalischen Prozessen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit werden Deformationsmodelle auf drei Probleme der Computergrafik angewandt, die nicht unmittelbar einem physikalischen Deformationsprozess entsprechen. Zu diesem Zweck wird das physikalische Modell durch eine passende Änderung der potentiellen Energie verallgemeinert. Die potentielle Energie entspricht normalerweise der physikalischen Arbeit, die aufgewendet werden muss, um einen Körper aus dem Ruhezustand in eine bestimmte Konfiguration zu verformen. Darüber hinaus setzt sie die aktuelle Verformung in Beziehung zu internen Spannungskräften, die wirken um die ursprüngliche Form wiederherzustellen. In dieser Arbeit passen wir für jedes der drei betrachteten Problemfelder die potentielle Energie jeweils so an, dass sie eine anwendungsspezifische Definition von Form widerspiegelt. Unter dem Einfluss weiterer Randbedingungen führt die so verallgemeinerte Deformation zu einer Fläche, die eine Balance zwischen der Erhaltung gewisser Formeigenschaften und Zielvorgaben der Anwendung findet. Diese Balance entspricht dem Equilibrium einer physikalischen Deformation. Die drei in dieser Arbeit diskutierten Anwendungen sind Oberflächenparameterisierung, interaktives Bearbeiten von Flächen und das vollautomatische Erzeugen von Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann. Zur Oberflächenparameterisierung interpretieren wir Parameterisierungen über einem flachen Parametergebiet als Deformationen, die ein ursprünglich ebenes Flächenstück in eine gegebene Oberfläche verformen. Innerhalb dieses Szenarios vergleichen wir dann existierende Methoden zur planaren Parameterisierung, indem wir die resultierenden potentiellen Energien analysieren, und leiten weitere Potentiale her, die die Störung geometrischer Eigenschaften wie Fläche und Winkel erfassen. Verfahren zur interaktiven Flächenbearbeitung ermöglichen schnelle und intuitive Änderungen an einer komplexen Oberfläche. Dazu wählt der Benutzer Teile der Fläche und bewegt diese durch den Raum. Ein Deformationsmodell extrapoliert interaktiv die Transformation der gewählten Teile auf die restliche Fläche. Diese Arbeit stellt eine neue differentielle Flächenrepräsentation für diskrete Flächen vor, die zu einem einfach und interaktiv zu optimierendem Potential führt. Obwohl das vorgeschlagene Potential nicht physikalisch korrekt ist, sind die resultierenden Deformationen intuitiv. Mittels eines Parameters lassen sich außerdem bestimmte Materialeigenschaften einstellen. Panoramakarten im Stile von Heinrich Berann sind eine Verschmelzung von Landschaftsillustration und geographischer Karte. Traditionell werden sie so von Hand gezeichnet, dass bestimmt Merkmale wie beispielsweise Skipisten oder Wanderwege in einem Gebiet unverdeckt und gut sichtbar bleiben, was große Kunstfertigkeit verlangt. Obwohl diese Art der Darstellung nicht maßstabsgetreu ist, sind Abweichungen auf den ersten Blick meistens nicht zu erkennen. Dadurch kann der Betrachter markante Details schnell wiederfinden und sich so innerhalb des Gebietes orientieren. Diese Arbeit stellt das erste, vollautomatische Verfahren zur Erzeugung von Panoramakarten vor. Grundlage ist wiederum eine verallgemeinerte Oberflächendeformation, die sowohl auf Formerhaltung als auch auf die Sichtbarkeit vorgegebener geographischer Merkmale abzielt

    A novel entropy stable discontinuous Galerkin spectral element method for the shallow water equations on GPUs

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    In dieser Arbeit präsentieren wir ein neues Discontinuous Galerkin Spektrale Elemente Verfahren hoher Ordnung zur Approximation der nicht-linearen Flachwassergleichungen auf unstrukturierten, möglicherweise gekrümmten Gittern. Das Verfahren ist so konstruiert, dass es Entropie-stabil ist und die well-balanced Eigenschaft hat. Wir bezeichnen dieses Verfahren mit ESDGSEM. Das Verfahren wird anhand einer spezifischen alternativen Formulierung der Flachwassergleichungen konstruiert. Durch Umformulierung der Diskretisierung der alternativen Formulierung in ein Flux-Differencing Verfahren ist es uns möglich zu zeigen, dass das Verfahren konservativ ist, obwohl es nicht auf den Gleichungen in konservativer Form beruht. Durch Verwendung eines speziellen numerischen Flusses an den Elementkanten können wir außerdem zeigen, dass die Approximation die totale Energie als zusätzliche konservative Variable behandelt. Da die totale Energie eine Entropie-Funktion für die Flachwassergleichungen ist, ist das Verfahren somit Entropie-konservativ. Durch kontrolliertes Hinzufügen von numerischer Dissipation an den Elementkanten können wir garantieren, dass das Verfahren Entropie-stabil ist. Weiterhin zeigen wir, dass das Verfahren für eine spezielle Diskretisierung des Quellterms auch well-balanced ist. Wir führen künstliche Viskosität in das System der Flachwassergleichungen ein, um die Oszillationen im Falle von Schocks zu dämpfen. Außerdem erweitern wir das Entropie-stabile Verfahren um einen Positivitätslimiter, der nicht-negative Wasserhöhen garantiert. Wir zeigen, dass beide Erweiterungen die Entropie-Stabilität des Verfahrens beibehalten. Ebenfalls beweisen wir die Funktionalität des Positivitäts-limiters. Für die in dieser Arbeiten verwendeten Entropie-stabilen numerischen Flussfunktionen war dies zuvor nicht bekannt. Des Weiteren implementieren wir das ESDGSEM unter Verwendung von OCCA auf modernen Grafikkarten. Unsere Untersuchungen ergeben, dass das ESDGSEM hervorragend auf die Architektur moderner Grafikkarten passt. Trotz eines höheren erforderlichen Rechenaufwands im Vergleich zu herkömlichen DG-Verfahren ist für Polynomgrade von N<=7 kein Laufzeitunterschied festzustellen. Mit einer Reihe von numerischen Beispielen verifizieren wir die theoretischen Ergebnisse bezüglich Konvergenz und Konservatität. Außerdem zeigen wir die well-balanced Eigenschaft numerisch und testen die Robustheit des Verfahrens anhand einiger numerisch herausfordernder Tests. Diese beinhalten sowohl starke Schocks als auch Trockenflächen und benötigen somit zwingend die Erweiterungen des Verfahrens. Abschließend verwenden wir das entwickelte Verfahren, um den Tsunami im Indischen Ozean aus dem Jahr 2004 zu simulieren. Unsere Ergebnisse vergleichen wir dabei mit an der Küste Indiens aufgezeichneten Daten und beobachten gute Approximationen für die Ankunftszeiten des Tsunamis

    Towards Adaptive and Grid-Transparent Adjoint-Based Design Optimization Frameworks

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    With the growing environmental consciousness, the global perspective in energy production is shifting towards renewable resources. As recently reported by the Office of Energy Efficiency & Renewable Energy at the U.S. Department of Energy, wind-generated electricity is the least expensive form of renewable power and is becoming one of the cheapest forms of electricity from any source. The aeromechanical design of wind turbines is a complex and multidisciplinary task which necessitates a high-fidelity flow solver as well as efficient design optimization tools. With the advances in computer technologies, Computational Fluid Dynamics (CFD) has established its role as a high-fidelity tool for aerodynamic design.In this dissertation, a grid-transparent unstructured two- and three-dimensional compressible Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) solver, named UNPAC, is developed. This solver is enhanced with an algebraic transition model that has proven to offer accurate flow separation and reattachment predictions for the transitional flows. For the unsteady time-periodic flows, a harmonic balance (HB) method is incorporated that couples the sub-time level solutions over a single period via a pseudo-spectral operator. Convergence to the steady-state solution is accelerated using a novel reduced-order-model (ROM) approach that can offer significant reductions in the number of iterations as well as CPU times for the explicit solver. The unstructured grid is adapted in both steady and HB cases using an r-adaptive mesh redistribution (AMR) technique that can efficiently cluster nodes around regions of large flow gradients.Additionally, a novel toolbox for sensitivity analysis based on the discrete adjoint method is developed in this work. The Fast automatic Differentiation using Operator-overloading Technique (FDOT) toolbox uses an iterative process to evaluate the sensitivities of the cost function with respect to the entire design space and requires only minimal modifications to the available solver. The FDOT toolbox is coupled with the UNPAC solver to offer fast and accurate gradient information. Ultimately, a wrapper program for the design optimization framework, UNPAC-DOF, has been developed. The nominal and adjoint flow solutions are directly incorporated into a gradient-based design optimization algorithm with the goal of improving designs in terms of minimized drag or maximized efficiency
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