Ein Multi-Agenten-System zur verteilten p-adaptiven Finite-Elemente-Simulation am Beispiel der Baugrund-Tragwerk-Interaktion
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- Etta Baum
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1 Ein Multi-Agenten-System zur verteilten p-adaptiven Finite-Elemente-Simulation am Beispiel der Baugrund-Tragwerk-Interaktion Vom Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Jochen Ruben aus Mannheim D17 Darmstadt 2005
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3 Berichte des Instituts für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen Band 5/2005 Jochen Ruben Ein Multi-Agenten-System zur verteilten p-adaptiven Finite-Elemente-Simulation am Beispiel der Baugrund-Tragwerk-Interaktion D 17 (Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2005
4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2005 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Allen lieben Menschen, die immer für mich da waren und sind Nichts auf der Welt ist so gerecht verteilt wie der Verstand. Denn jedermann ist überzeugt, dass er genug davon habe. (RENÉ DESCARTES)
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7 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen an der Technische Universität Darmstadt. Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Udo F. Meißner für sein Interesse, die zahlreichen innovativen wissenschaftlichen Diskussionen und für die Übernahme des Hauptreferates. Herrn Prof. Dr. rer. nat Ernst Rank und Herrn Prof. Dr.-Ing. Uwe Rüppel danke ich für die Übernahme des Korreferates. Ihre Anregungen gaben wichtige Impulse für diese Arbeit. Für die täglichen fachlichen Diskussionen und die außerordentliche Hilfsbereitschaft danke ich all meinen Kollegen am Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen. Ganz besonderer Dank gebührt Herrn Michael Müller, Frau Inke Terlinden, Herrn Steffen Greb, Herrn Mirko Theiß, Herrn Thomas Klauer, Herrn Andreas Sindlinger und Herrn Florian Ries. Für die seelisch-moralische Unterstützung danke ich Frau Susanne Rohmig. Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Udo F. Meißner Technische Universität Darmstadt Korreferenten: Prof. Dr. rer. nat. Ernst Rank Technische Universität München Prof. Dr.-Ing. Uwe Rüppel Technische Universität Darmstadt Tag der Einreichung: 3. Juni 2005 Tag der Prüfung: 17. September 2005
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9 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Zielsetzung Problemstellung Zielsetzung und Abgrenzung Überblick über diese Arbeit Simulation geotechnischer Probleme Theorie PoröserMedien Mikroskopische Bilanzierung Statistische Mittelwertbildung Strömung in porösenmedien Makroskopische Bilanzierung Spezielle Erhaltungssätze Massenerhaltung Impulserhaltung Baugrund-Tragwerk-Interaktion Stoffgesetze Gleichungssystem für absolute Weggrößen Gleichungssystem für eine relative Weggröße Adaptive Verfahren Raum-Diskretisierung Netzverfeinerung (h-version) Verschieben von Knoten (r-version) Erhöhung der Polynomgrade (p-version) Kombination von h- und p-version Diskretisierung mit hierarchischen Interpolationsfunktionen Interpretation hierarchischer Ansätze Orthogonale und orthonormale hierarchische Polynome I
10 Inhaltsverzeichnis Modellierung verteilter Lasten mit hierarchischen Ansätzen Eindimensionale Ansätze Ansätze höherer Dimensionalität Numerische Integration hierarchischer Interpolationsfunktionen FehlerschätzerimRaum Auswertung von Sekundärgrößen Superkonvergenz Polynomgrad-basierter Fehlerschätzer Simulation und Adaption in der Zeit-Richtung Zeitintegration Fehlerschätzer für die Zeitintegration NormierungdesFehlers Adaptive Zeitschrittsteuerung Verteilte Systeme und Paralleles Rechnen Referenzmodell zur Kommunikation Basistechnologie EntfernteFunktionsaufrufe(RPC) Entfernte Methodenaufrufe Zwei-Schichten-Architektur Drei-Schichten-Architektur Autonome und mobile Objekte Definition von Software-Agenten Umsetzung von Agenten-Systemen Einsatzgebiete von Software-Agenten im Ingenieurwesen Parallele Programmiermodelle Paradigmen der parallelen Programmierung Leistungsdaten Zusammenfassung und Schlussfolgerung Konzeption und Modellierung von PARA.FEM Anforderungsanalyse Numerische Anforderungen Software-technische Anforderungen Wissenschaftliches Rechnen mit Java DynamischeCompiler Einbindung von Matrizen-Bibliotheken Adaptive Finite-Elemente-Simulation II
11 Inhaltsverzeichnis Datenstruktur zur Erhaltung der Kompatibilität Modellierung der Ansatzfunktionen Umsetzung der statischen Adaptivität Umsetzung der dynamischen Adaptivität Startwertgewinnung Mehrgitter-Effekt für die p-version Effiziente Zeitintegration Agentenbasierte Parallelisierung Modellierung der dynamischen Verteilung Objektorientierter Entwurf des Multi-Agenten-Systems Modellierung der Kommunikation Implementierung der Gleichungslöser Abschießende Strukturierung Anwendungsbeispiel Kombinierte Pfahl-Plattengründung Gründungskonstruktion des TREPTOWERS in Berlin Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis 157 III
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