IGTE Student Projects


Slip boundary conditions for viscous acoustics

Motivation:

Due to the rise of Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) the characteristic length scales for acoustic problems can reach dimensions (sub µm) where classical continuum theory is not valid anymore. For a certain range modified boundary conditions can be used to account for molecular effects while still using continuum theory. This is accomplished by introducing an additional slip velocity which influences the shape of the boundary layer. Therefore, the already existing Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE)-framwork for viscous acoustics of our inhouse FEM solver openCFS should be extended to include these boundary conditions. The goal of this thesis is to compare the state of the art boundary conditions, implement and test the most promising ones in openCFS.

Tasks:

  • Literature research
  • Implement most promising boundary conditions in openCFS (programming language is C++)
  • Test formulations

Kontakt: Dominik Mayrhofer

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Viscou-thermal acoustics on moving domains

Motivation:

Due to the requirements of headphones to get more compact and efficient, the demand for highly integrated Micro-ElectroMechanical Systems (MEMS) speaker solutions is on the rise. The high integration and small scales (sub micro-meter range) poses the requirement to include viscous and possibly thermal effects for the sound propagation. Furthermore, the sound generation principles investigated at our institute require a formulation for moving domains in order to resolve e.g. the shutter movement. Therefore, the already existing Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE)-framwork for viscous acoustics of our inhouse FEM solver openCFS should be extended to also include thermal effects. The goal of this thesis is to derive the formulation, implement and test it in openCFS.

Tasks:

  • Derive and verify an ALE formulation for thermoviscous acoustics
  • Implement the missing coupling and ALE-related terms in openCFS (programming language is C++)
  • Test the formulation

Kontakt: Dominik Mayrhofer

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Design of Experiment basierte Antennen-Optimierung

Eine Vielzahl von Antennenkenngrößen wie Antennengewinn, Directivity, Bandbreite, etc. wird durch die Geometrie, also dem Design der Antenne beeinflusst. Die Entwicklung und Optimierung dieses Antennendesigns mittels numerischer Simulationswerkzeuge ist Stand der Technik, speziell auf Basis von Parameterstudien die bei entsprechender Komplexität der Struktur zeit- und ressourcenintensiv sein können.
Das parallele Erstellen eines Ersatzmodells (Surrogate-model) ist in der Lage den Optimiervorgang signifikant zu beschleunigen und wurde in einem Python-basierten Framework bereits erfolgreich eingesetzt.
Ziel der Arbeit ist nun das bestehende Framework zu erweitern und auf eine gegebene Problemstellung aus dem Bereich der UHF-RFID anzuwenden. 
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

Kontakt: Eniz Museljic

Kontakt: Alice Reinbacher-Köstinger

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Untersuchungen von Resonanz-Effekten bei Microstrip-Leitern

Microstrip-Leiter sind ein wichtiger Bestandteil in der Hochfrequenztechnik, da diese geeignet sind hohe Signalfrequenzen zu leiten. Die verwendeten Signalfrequenzen gehen oft bis in den mehrstelligen GHz-Bereich daher können Microstrip-Leiter für gewöhnlich nicht als elektrisch kurze Strukturen betrachtet werden. Um zu verstehen wie der Energietransport entlang eines Microstrip-Leiters funktioniert ist es notwendig zu verstehen wie sich die geometrischen und elektrischen Größen auf das elektrische Verhalten auswirken.
Ziel der Untersuchungen ist ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Geometrie bzw. Material und der elektrische Länge eines Microstrip-Leiters.
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

Kontakt: Christian Riener

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Modellierung, Simulation und Messung des Einflusses von Shielding Kappen für EMC-Anwendungen

IC-Stripline

Die elektromagnetische Verträglichkeit (electromagnetic compatibility, EMC) elektronischer Geräte/Systeme ist ein wesentlicher Aspekt für die Zulassung dieser auf den Markt sowohl für Consumer Electronics als auch für Industrieanwendungen. Stand der Technik ist die messtechnische Überprüfung des EMC-Verhaltens anhand eines Prototypen. In Zukunft soll das EMC-Verhalten eines elektronischen Systems jedoch bereits in der Designphase anhand „digitaler Zwillinge“ der einzelnen Komponenten abgeschätzt werden können. Dazu ist es notwendig, das elektromagnetische Verhalten aller Komponenten zu bestimmen bzw. in Modellen abzubilden.
Für die Messung der sog. Radiated-Emissions wird aktuell u.a. die IC-Stripline Methode nach IEC62132-8 verwendet. In dieser Arbeit soll die Beeinflussung von Metall-Shielding-Kappen für ICs auf diese Messung mittels numerischer Feldsimulation sowie messtechnisch untersucht werden.

Als bezahlte Master-Arbeit im Rahmen einer Firmenkooperation möglich.

Kontakt: Thomas Bauernfeind

Kontakt: Dominik Kreindl

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Development of an interactive optimization benchmark dashboard

An important part of optimization is the analysis of the objective space and the optimization results. To do this on the fly, an interactive dashboard is needed. The idea is to develop a flexible dashboard where different data visualizations and data sources can be selected. The main goal is to develop useful representations that can give a good insight into high dimensional data. This dashboard shall be incorporated into a website which allows users to register, upload and compare their results for pre-defined bechnmark problems. 


For more detailed information please contact us.
 

Kontakt: Alice Reinbacher-Köstinger

Kontakt: Eniz Museljic

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Finite element simulation of aortic diseases

Simulations of fluid flow and electrical parameters in case of an aortic dissection 

In case of an aortic disease (e.g. stenosis, aneurysm or dissection), the blood flow in the vessel changes due to the geometrical changes, which affect the blood conductivity variations. Bioimpedance measurement methods can detect these changes. Therefore, parameterized simulation models need to be implemented in the finite element software package OpenCFS to infer an aortic pathology from the measurements. Due to the multiphysical nature of the problem, the material properties of blood, that are provided from computational fluid dynamics (CFD) simulations, should be transferred to the model‘s domain in OpenCFS.

This project is part of the LEAD project “Mechanics, Modeling and Simulation of Aortic Dissection“ of TU Graz. You can benefit from an interdisciplinary and international project team, and there is a possibility of employment in the project.

Kontakt: Alice Reinbacher-Köstinger

Kontakt: Vahid Badeli

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Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Rückvolumina auf das akustische Transmissionsverhalten in einem MEMS-Transducer

Vorhergehende Untersuchungen haben gezeigt, dass das Volumen zwischen einem Lautsprecher und einer perforierten Schicht in einem MEMS-Transducer einen entscheidenden Einfluss auf das akustische Transmissionsverhalten hat. Dieser Einfluss ist neben dem Rückvolumen auch noch von Einflussfaktoren wie z.B. der Perforation sowie etwaigen Schichtungen mehrerer perforierter Lagen abhängig. Ziel dieser Arbeit ist, mehrere Simulationen in der In-House FEM Software openCFS in Form einer Parameterstudie durchzuführen, um den Einfluss dieser Faktoren zu identifizieren.

Kontakt: Dominik Mayrhofer

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Modellierung des Abstrahlverhaltens von Antennenstrukturen durch Multipol-Entwicklungen

Der Einsatz numerischer Simulationswerkzeuge zur Ermittlung des Abstrahlverhaltens von Antennen und Antennensystemen ist Stand der Technik. Aufgrund der Komplexität von modernen Antennenstrukturen, welche beispielsweise bei Mobilfunkgeräten zum Einsatz kommen, ergeben sich auch beim Einsatz leistungsstarken Rechner immer noch lange Rechenzeiten. Soll nun nicht nur eine Antennenstruktur sondern auch die Interaktion mehrerer abstrahlender Strukturen untersucht werden ergeben sich oft praktisch nicht mehr berechenbare Probleme. Die Idee ist nun die wesentlichen Eigenschaften des Abstrahlverhaltens einer Struktur durch einfache Multipol-Darstellungen zu beschreiben um so auch das Verhalten komplexerer System abschätzen zu können.

Kontakt: Thomas Bauernfeind

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Modellierung und numerische Simulation eines DC-Blocks für ein VNA-Messsystem

Die Aufgabe eines DC-Blocks ist das sperren von Gleichstrom bei gleichzeitig möglichst geringer Beeinflussung des zu vermessenden Wechselsignals. Für eine gegebene Vektor-Netzwerk-Analysator (VNA) Messanordnung soll im geforderten Frequenzbereich von 10 kHz bis 2 GHz der DC-Block eine maximale Impedanz von 5 Ohm aufweisen bei gleichzeitig sehr hohen Betriebsspannungen. Die bereits vorliegenden Messergebnisse zum Frequenzverhalten eines Prototypen sollen nun mit Simulationsergebnissen verglichen werden. In weiterer Folge ist es angedacht, auf Basis der Simulationsergebnisse den vorliegenden Messaufbau zu verbessern bzw. den Frequenzbereich auszudehnen.

Kontakt: Thomas Bauernfeind

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Modellierung und numerische Simulation von konischen Spulen für breitbandige Anwendungen

Sogenannte “Bias Tees“ bestehend aus typ. einem Kondensator und einer Induktivität haben beispielsweise die Aufgabe die Zuführung einer DC-Versorgungsspannung zu einer aktiven Antenne zu gewährleisten und gleichzeitig die DC-Quelle vom AC-Signal zu isolieren. Die Induktivität (hier oft auch als “Bias Choke“ bezeichnet) soll bei breitbandigen Anwendungen ein möglichst konstantes Verhalten (konstante Induktivität) über den betrachteten Frequenzbereich besitzen. Eine Möglichkeit dies zu gewährleisten ist der Einsatz konischer Induktivitäten. In der vorliegenden Arbeit sollen grundlegenden Untersuchungen zu solchen konischen Spulen auf Basis numerischer Simulationen angestellt werden.

Kontakt: Thomas Bauernfeind

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Berechnen des Fernfeldverhaltens von Antennen anhand des Nahfeldes

Die sogenannte "Nearfield (NF) to Farfield (FF) transformation" ist eine Technik um vom Nahfeldverhalten um Antennen auf das Fernfeld zu schließen. Speziell in Messkammern kann aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse oft das Fernfeldverhalten nicht einfach bestimmt werden, wodurch dies mit Näherungen aus Nahfeldmessungen geschieht. In dieser Arbeit sollen diese Techniken auf die numerische Simulation überführt werden um bei der Modellierung und Berechnung des Luftgebietes um Antennen wertvolle Rechenzeit zu sparen.
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

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Untersuchungen zu reaktiv geladenen Yagi-Uda-Antennen zur kontrollieren Steuerung des Abstrahlverhaltens

Yagi-Uda Antennen sind Antennen deren Abstrahlverhalten durch die geometrische Anordnung von typischerweise einem aktiven Antennenelement und mehreren passiven Elementen (sog. Reflektor und Direktoren) bestimmt werden. Die Längen der jeweiligen Elemente sowie deren Position ist hierbei maßgeblich für das Fernfeldverhalten der Antenne. Das hauptsächliche Einsatzgebiet solcher Antennen war bis dato in der terrestrischen Rundfunkübertragung sowie in der Radartechnik. Neuerdings werden jedoch auch hybride Konzepte im Bereich der RFID sowie von 5G-Anwendungen eingesetzt.
In der gegenständlichen Arbeit soll der Einfluss reaktiver Lasten an den passiven Elementen und deren Einfluss auf das Abstrahlverhalten untersucht werden.
 

Kontakt: Thomas Bauernfeind

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Implementierung/Erweiterung eines Optimierframeworks in MATLAB© oder Python

Das IGTE betreibt ein Framework zur numerischen Optimierung von technischen Systemen. Dieses Framework wird in der Forschung verwendet und laufend weiterentwickelt. Für die Erweiterung und Benchmarks dieses  Frameworks sind laufend studentische Arbeiten erwünscht. 
 

Kontakt: Eniz Museljic

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Extraktion von R/L/C Parametern aus Finite Elemente Feldmodellen

Die Finite Elemente Simulation von elektronischen Komponenten (aktiv als auch passiv) stellt an sich schon große Herausforderungen dar. Möchte man nun eine mehrere Komponenten im Verbund (z.B. IC‘s) simulieren und deren Wirkung untereinander, ist der Finite Elemente Ansatz oft nicht zielführend. Stattdessen möchte man z.B. aus einer FEM Simulation bestimmte Parameter extrahieren, um dann mit einem anderen Modell (z.B. Netzwerkmodell) weiterzurechnen.
In dieser Arbeit sollen Methoden erarbeitet werden, um anhand eines einfachen FEM Modells, die RLC Größen zu bestimmen. In weiterer Folge sollen diese Methoden auch in der Software openCFS angewandt werden.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Behandlung nichtlinearer ODEs im Frequenzbereich

Manche Problemstellungen können durch nichtlineare Übertragungsfunktionen beschrieben werden, im einfachsten Fall durch Potenzreihen. Oft ist man jedoch nur an Lösungen in einem (quasi)stationären Zustand interessiert, weshalb die Differenzialgleichung vorteilhafterweise im Frequenz- oder einem anderen Bildbereich gelöst werden soll.
Im Zuge dieser Arbeit soll die systemtheoretische Methode der Verwendung von „gedächtnisbehafteten“ Volterra Reihen GFRF (Generalized Frequency Response Functions) erarbeitet werden.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Nichtkonforme Finite Elemente Formulierung für rotierende Systeme

Den größten Zeitaufwand einer Finite Elemente Simulation stellt in den meisten Fällen die Netzgenerierung dar. Das Netz soll nur so fein sein wie nötig und so grob wie möglich. Speziell die Vernetzung von elektrischen Maschinen stellt oft ein Problem dar, da sich Stator und Rotor relativ zueinander bewegen.
Ziel dieser Arbeit ist es eine bereits vorhandene Formulierung für Nichtkonforme FEM derart anzupassen, dass eine rotatorische Relativbewegung zwischen zwei Netzen ermöglicht wird.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Modellierung von Eisenverlusten in Elektroblechen: Von der Empirik zur Physik

Diese Arbeit ist als Literaturrecherche angedacht, um einen allgemeinen Überblick über die Modellierung von Eisenverlusten in Elektroblechen zu bekommen. Diesbezüglich gibt es eine große Mannigfaltigkeit an formelmäßigen Modellen, welche von einfachen empirischen Modellen zu fundiert physikalisch begründeten reichen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein „optimales“ Modell zu finden, mit welchem die Eisenverluste eines geschichteten Transformatorkerns möglichst realitätsnah abgeschätzt werden können.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Erarbeitung von Hysteresemodellen für den Frequenzbereich

Hysteresemodelle als Materialmodell in Finite Elemente Simulationen sind immens rechenintensiv, weshalb sie zurzeit noch nicht für praktisch relevante Probleme verwendet werden können. In dieser Arbeit sollen Methoden erarbeitet werden, um Hysteresemodelle in den Frequenzbereich überführen zu können. Diese Methoden könnten einen entscheidenden Performance-Gewinn darstellen und den Einsatz in Anwendungen ermöglichen.

Kontakt: Klaus Roppert

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Finite Elemente Simulation von Dreiphasentransformatoren

Basierend auf dem periodischen Halbmodell eines Dreiphasentransformators, sollen effizienzsteigernde Maßnahmen (geringere Verluste) untersucht und simuliert werden. Einige dieser Möglichkeiten sind z.B. Veränderung des T-Stoß Winkels, Überlappungsbreite oder die Einführung von Schlitzen in den Blechen.
Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Maßnahmen in der In-House FEM Software openCFS zu simulieren und die vielversprechendsten Maßnahmen auszuwählen, die einer genaueren Untersuchung unterzogen werden.
 

Kontakt: Klaus Roppert

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Optimization of nonlinear functions subject to nonlinear constraints

Im allgemeinen liegen bei vielen praktischen Optimierungsaufgaben Probleme vor, bei denen der optimale Punkt einer nichtlinearen Funktion unter Beachtung nichtlinearer Nebenbedingungen gefunden werden muss. Dafür werden oft fertige Funktionen aus Bibliotheken verwendet, deren grundsätzliche, komplexe Funktionsweise in dieser Arbeit beschrieben werden soll.
 

Kontakt: Christian Magele

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MSc - Berechnung eines nichtlinearen Netzwerkmodells

Die Verknüpfung eines elektrischen Schaltkreises mit einem nichtlinearen magnetischen Netzwerk soll näher untersucht werden. Die Eigenschaften der nichtlinearen Netzwerkelemente durch analytische Beziehungen sind gegeben. Methoden zur Lösung des nichtlinearen Problems sollen verglichen werden.
 

Kontakt: Werner Renhart

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