Doctoral Thesis
In dieser Dissertation wird eine Problemstellung der Optimalen Steuerung aus dem Bereich der Linearen ElastizitĂ€tstheorie dargelegt und gelöst. Die Dissertation gliedert sich in die folgenden Schwerpunkte: Modellierung der Problemstellung, Formulierung der Optimalsteuerungsprobleme fĂŒr den zeitunabhĂ€ngigen (stationĂ€ren) bzw. zeitabhĂ€ngigen (instationĂ€ren) Problem, die Herleitung der notwendigen Bedingungen fĂŒr eine ermittelte optimale Lösung und die Berechnung von numerischen Lösungen des stationĂ€ren bzw. instationĂ€ren Problems sowie deren ĂberprĂŒfung der ErfĂŒllung der notwendigen Bedingungen. In der Modellierung werden Gleichungen zur Bestimmung der Deformation (Auslenkung) einer Zylinderschale unter rotations-symmetrischer Krafteinwirkung aus Grundgleichungen der Mechanik (KrĂ€ftegleichgewicht, Impulserhaltungssatz) hergeleitet. Bei dieser Herleitung werden die Hypothesen von Mindlin und Reissner verwendet und die spezielle Geometrie der Zylinderschale berĂŒcksichtigt. Die Dissertation erbringt den Nachweis der Existenz einer Lösung der modellierten Gleichungen im schwachen Sinne, d.h. fĂŒr Lösungen in Sobolev-RĂ€umen. FĂŒr die Formulierung der Optimalsteuerungsprobleme fĂŒr den stationĂ€ren und instationĂ€ren Fall fĂŒr Praxis relevante Problemstellungen setzen wir das Volumen des Zylinderrohres als konstant voraus (Volumenbedingung). Die Zielstellung der Optimalsteerungsprobleme besteht darin eine optimale Dicke zu bestimmen, welche die integrale Deformation (Auslenkung) der Zylinderschale (im instationĂ€ren Fall zu einer ausgezeichneten Zeit) minimiert. Eine optimale Lösung (optimale Dicke) muss die notwendige Bedingung erster Ordnung (Variationsungleichung) fĂŒr alle zulĂ€ssigen Dicken, welche auch der Volumenbedingung genĂŒgen, erfĂŒllen. Die Herleitung der konkreten Form dieser notwendigen Bedingungen fĂŒr den stationĂ€ren bzw. fĂŒr die instationĂ€ren FĂ€lle wird in der Dissertation dargelegt. Durch die Verwendung der zugehörigen adjungierten ZustĂ€nde können die notwendigen Bedingungen effizienter formuliert werden. Zur Berechnung einer Lösung der Gleichungen im stationĂ€ren Fall bzw. in den instationĂ€ren FĂ€llen wurde die Finite Elemente Methode bzw. die Rothe-Methode im zeitabhĂ€ngigen Fall verwendet, wobei die LösungsrĂ€ume exakt berĂŒcksichtigt werden. Das Optimierungsproblem wird diskretisiert und mit fmincon aus der Optimization-Toolbox von Matlab gelöst. Die damit berechneten diskreten optimalen Lösungen (optimale Dicke) fĂŒr die einzelnen Problemstellungen werden auf die ErfĂŒllung der notwendigen Bedingungen getestet. Die Dissertation wird durch viele Beispiel-Rechnungen abgerundet und deren Lösungen in grafischer Form prĂ€sentiert.