Institut für Mechatronik. An-Institut der TU Chemnitz

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1 Institut für Mechatronik An-Institut der TU Chemnitz Jahresbericht 2012

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3 Jahresbericht 2012 Institut für Mechatronik e.v. an der Technischen Universität Chemnitz Reichenhainer Straße Chemnitz Telefon: Telefax:

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7 Inhaltsverzeichnis Das Institut für Mechatronik im Überblick Das Profil Die Kompetenz Das Angebot Jahre IfM Anlass für Resümee und Ausblick...4 Forschungsschwerpunkte 2012 Übersicht Algorithmen Dynamiksimulation technischer Systeme Simulation von Mensch-Maschine-Systemen...7 Entwicklungsschwerpunkte am IfM MKS-Simulationstool alaska Algorithmen und Spezialtools Menschmodell alaska/dynamicus Spezifik der Anwendung von alaska/dynamicus im Leistungssport Projektförderung der öffentlichen Hand Forschungskooperation Daten und Fakten Personal Haushalt Institution Öffentlichkeitsarbeit

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9 Das Institut für Mechatronik im Überblick 1 Das Profil Das IfM betreibt angewandte Forschung zur Dynamiksimulation mechanischer und mechatronischer Systeme. Unter Dynamiksimulation wird die Berechnung dynamischer Kenngrößen auf der Grundlage von Simulationsmodellen verstanden. Dynamische Kenngrößen stellen eine Möglichkeit zur Bewertung der Qualität von Produkten und Prozessen dar. Sie ergeben sich aus den Lösungen von Differentialgleichungen, die unter Verwendung von Parametern des Systems die Zusammenhänge zwischen den Bewegungen und den zugehörigen Kräften bzw. Lasten beschreiben. Dynamische Kenngrößen sind beispielsweise die Lebensdauer, Kenngrößen zur Beurteilung von Fahrstabilität und Fahrkomfort, Schwingungsamplituden in Maschinen oder auch Kräfte und Bewegungsgrößen, mit denen Bewegungen des Menschen im Sport oder bei der Arbeit bewertet werden. Die qualitativ hochwertige Vorhersage solcher Kenngrößen auf der Basis von Simulationsmodellen tangiert viele Fragestellungen von erheblicher wirtschaftlicher Tragweite, wie die Zuverlässigkeit von Produkten, den Leichtbau, die effiziente Nutzung und Gewinnung von Energie und im Falle menschlicher Bewegungen auch die Erhaltung der Gesundheit. Die Entwicklung von Modellen, Methoden und Software, die benötigt werden, um durch Simulation die Dynamik von mechatronischen Systemen und Mensch-Maschine-Systemen zu bewerten, bestimmt das Profil des IfM. Dabei liegt der Schwerpunkt der Tätigkeit auf der Modellierung und Simulation mechanischer Systeme bzw. von mechanischen Komponenten mechatronischer Systeme. Es wird vor allem die Modellklasse der Mehrkörpersysteme betrachtet. Hier umfasst das Profil die gesamte Breite wissenschaftlicher Fragestellungen, von den Algorithmen aus Mechanik und Mathematik über die Bildung und Beschreibung physikalischer Modelle und das Prä- und Postprozessing bis hin zur softwaretechnischen Integration der Simulation in betriebliche Prozesse. Dabei spielen entsprechend dem anwendungsorientierten Profil des IfM die Fragen einer an den Bedarf von Anwendern angepassten Aufbereitung der theoretischen Grundlagen die wesentliche Rolle. Anwendungsgebiete für die vom IfM entwickelte Technologie sind technische Systeme und Mensch-Maschine-Systeme. Auf dem Gebiet der technischen Anwendungen bearbeitet das Institut Fragen der Systemdynamik von Maschinen, Fahrzeugen und Anlagen. Dabei konzentrieren sich die behandelten Fragestellungen entsprechend der Nachfrage vor allem auf die Gewinnung präziserer Aussagen durch Nutzung detaillierterer Simulationsmodelle. Bei den Mensch-Maschine-Systemen steht die Bewertung digital erfasster Bewegungen mit Hilfe eines Menschmodells im Fokus der Entwicklung. Die vom IfM für diese Aufgabe entwickelte Werkzeugkette beginnt an den Echtzeit-Schnittstellen kommerziell verfügbarer Tracking-Systeme. Entwicklungsziel ist hier vor allem eine sichere und effiziente Integration der Simulation in die betrieblichen Prozesse der Anwender. 2 Die Kompetenz Angewandte Forschung auf dem Gebiet der Dynamiksimulation bedeutet vor allem die Entwicklung und Beherrschung von Simulationstechnologie. Ausgangspunkt für diese Technologie-Bausteine sind die Theorien von Mechanik und Mathematik sowie Tools und Bibliotheken, in denen komprimiertes Wissen der Informatik, der Mathematik sowie eigenes Wissen des IfM enthalten ist. Unter Verwendung des Know-hows der Mitarbeiter stellt das IfM aus diesen Bausteinen möglichst effizient und in hoher Qualität gebrauchsfähige Lösungen für Anwender her. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein breites Spektrum an Kompetenzen benötigt. Dieses reicht von der Beherrschung der verwendeten mathematischen 1

10 Algorithmen und einem umfassenden Verständnis für mechanische Phänomene bis zum Entwurf und zur Implementierung geeigneter Benutzeroberflächen. Zur Entwicklung anwendungsbezogener Lösungen werden darüber hinaus Erfahrungen auf dem Gebiet der Entwicklung und Beschreibung physikalischer Modelle und die Fähigkeit, Fragen des Kunden in die Sprache von Modellierung und Simulation zu übersetzen, benötigt. Die Kompetenz des Institutes repräsentiert durch einen Stamm qualifizierter Mitarbeiter umfasst alle zur Entwicklung und Anwendung von leistungsfähiger Simulationstechnik für mechatronische Systeme und für Mensch-Maschine-Systeme notwendigen Methoden. Auf dieser methodischen Basis entwickelt das Institut das Simulationswerkzeug alaska und erweitert es um innovative, neue Funktionen. Darüber hinaus versetzt die vorhandene Methodenkompetenz das IfM in die Lage, spezielle Simulationslösungen im Auftrag von Kunden entweder auf der Basis von alaska oder als Stand-alone-Lösung zu entwickeln. Im Einzelnen besitzt das Institut Kompetenzen auf folgenden Gebieten: Entwicklung, Anpassung und Erweiterung von Algorithmen zur Generierung und Lösung der Modellgleichungen für mechanische und elektromechanische Systeme, speziell für Mehrkörpersysteme (MKS) und MKS-FEM-Kopplungen Entwicklung und Anpassung von mathematischen Verfahren des erweiterten Präund Postprozessings Konzept und Entwicklung mathematischer Anwendungen (z. B. Optimierung) in Technik und Biomechanik, Umsetzung von Algorithmen in Software, Entwicklung in C und C++ Entwurf und Implementierung von Benutzeroberflächen sowie von Software zur 3D- Visualisierung von dynamischen Systemen Entwicklung von qualifizierten Simulationsmodellen für mechatronische und biomechanische Systeme Entwicklung und Anwendung von Methoden der Bewegungserfassung von Mensch- Maschine-Systemen mit dem Ziel der Ermittlung von physikalischen Beurteilungskriterien für menschliche Bewegungen 3 Das Angebot Das Angebot des Institutes umfasst gestützt auf die genannten Kompetenzen alle Leistungen, die benötigt werden, damit Kunden und Projektpartner die vom Institut entwickelte Methodenbasis nutzbringend in ihre Prozesse integrieren können. Dazu bietet das Institut Folgendes an: Die Nutzung des allgemeinen Simulationswerkzeugs alaska: Kunden, die eigene Kapazitäten zur Entwicklung von Simulationsanwendungen besitzen oder aufbauen möchten, die an kompetenter Beratung und an einem Entwicklerteam vor Ort interessiert sind, können Lizenzen für das Werkzeug alaska erwerben. Lizenzen für alaska und die damit verbundenen Dienstleistungen wie z. B. Training, Support und Wartung werden durch die mit dem IfM verbundene insys GmbH vertrieben. Die Entwicklung von Simulatoren auf der Basis von alaska: Das Angebot beinhaltet Modellbildung, Auswahl geeigneter Lösungsverfahren, bei Bedarf Entwicklung zusätzlicher Software-Komponenten unter Nutzung der Standard- Schnittstellen von alaska. Der Simulator wird so gestaltet, dass er ohne Detailkenntnisse des Systems alaska nur mit dem Problemwissen benutzt werden kann. 2

11 Kundenspezifische Erweiterungen von alaska: Es werden Modell- und Softwarekomponenten entwickelt, die für die kundenspezifische Anwendung notwendig sind, jedoch nicht zum standardmäßigen Leistungsumfang von alaska gehören. Die Entwicklung von speziellen Simulatoren nur unter Verwendung des Analysekerns von alaska oder der neu entwickelten alaska/simulationengine: Solche Simulatoren enthalten oft Modellelemente und Komponenten des Prä- und Postprozessings, die nicht im Standard-alaska enthalten sind. Darüber hinaus kann ein solcher Simulator in kundenspezifische Umgebungen eingebettet werden. Maßgeschneiderte Lösungen für die Erfassung und Bewertung menschlicher Bewegungen: Die dazu benötigte Technologie umfasst die Verarbeitung von Sensorsignalen, die Übertragung der Messungen auf ein Simulationsmodell sowie die Berechnung und Darstellung von Bewertungsgrößen. Die Anfertigung von Fallstudien und die Beratung von Kunden auf dem Gebiet der Simulation von mechanischen, mechatronischen und Mensch-Maschine-Systemen: Fallstudien beinhalten in der Regel die Bildung eines physikalischen Modells aus Daten des Kunden, die Berechnung qualitätsbestimmender Eigenschaften dieses Modells und die Herstellung von Zusammenhängen zwischen Parametern des Originals und dem Verhalten des Modells. 3

12 20 Jahre IfM Anlass für Resümee und Ausblick Der 20. Jahrestag der Gründung des Institutes war 2012 für uns Anlass, um gemeinsam mit Kunden und Forschungspartnern das Erreichte zu resümieren und aktuelle Entwicklungen zu diskutieren. Das Institut feierte das Jubiläum am 21. Juni mit einem Festkolloquium und einem anschließenden Sommerfest. Das Projekthaus METEOR der TU Chemnitz gab der Veranstaltung einen würdigen Rahmen. Im Rahmen des Kolloquiums beschrieben Kooperationspartner des IfM mit Fachvorträgen die Nutzung der am Institute entwickelten Simulationstools. Mitarbeiter des IfM gaben Einblicke in erreichte Ergebnisse und geplante Entwicklungen. Das Vortragsprogramm umfasste folgende Beiträge: Virtuelle Techniken im Planungsprozess der Fahrzeugmontage Dr. Cord Busche, Volkswagen AG, Wolfsburg, Planung Marke VW Industrielle Nutzung des MKS-Systems alaska zur Lastbestimmung von Windenergieanlagen Dr. Wolfgang Moser, Jörg Schwarte, Nordex Energy GmbH, Hamburg Einsatz biomechanischer Menschmodelle in der sportwissenschaftlichen Forschung Prof. Maren Witt, Dr. Falk Hildebrand, Institut für Angewandte Trainingswissenschaft (IAT) Leipzig Dynamiksimulation im Kontext der angewandten Forschung Dr. Albrecht Keil, IfM Rolle allgemeiner MKS-Simulatoren am Beispiel von alaska/wind Heiko Freudenberg, IfM Effiziente Simulation hochaufgelöster MKS-Modelle Stefan Clauß, IfM Das Menschmodell alaska/dynamicus - vom Modell zur Softwarekomponente Heike Hermsdorf, IfM 4

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14 Forschungsschwerpunkte 2012 Übersicht 1 Algorithmen Effiziente und problemangepasste Algorithmen bilden die Basis für die Entwicklung von robusten Werkzeugen zur Simulation hoch aufgelöster Mehrkörpersysteme. Sie bildeten auch 2012 einen wichtigen Schwerpunkt der Entwicklungstätigkeit am IfM. Insbesondere wurden auf dem Gebiet der Algorithmen folgende Schwerpunkte bearbeitet: Optimierung des Lösungsverfahrens und Komplettierung der Bibliothek von Modellelementen für hoch aufgelöste Mehrkörpersysteme, Weiterentwicklung der Algorithmen zur Rekonstruktion von Bewegungen des Menschmodells aus fehlerbehafteten, unvollständigen und zeitlich diskontinuierlichen Messergebnissen unter dem Gesichtspunkt der benötigten Rechenzeit, Entwicklung von Algorithmen für eine automatisierte Analyse von Bewegungsmodellen, die aus Tracking-Experimenten rekonstruiert wurden. Die Arbeiten am numerischen Lösungsverfahren für hoch aufgelöste MKS konzentrierten sich auf Untersuchungen hinsichtlich einer optimalen Implementierung des Verfahrens sowie auf seine Vervollständigung. Dies ist wichtig, da hoch aufgelöste MKS-Modelle immer dann entstehen, wenn sich infolge einer feineren Diskretisierung die Anzahl der Körper des Modells erheblich vergrößert, wie z. B. bei Verwendung des hoch aufgelösten Wirbelsäulenmodells im Menschmodell, statt der traditionellen Modellierung von Kopplungen durch geometrische Zwangsbedingungen physikalisch eingeprägte Kräfte mit hohen Steifigkeiten und starker Dämpfung verwendet werden und wenn die Modelle flexible Körper beinhalten, für die eine große Anzahl von Moden berücksichtigt werden muss, weil z. B. nicht nur die globale Deformation sondern auch lokale Größen wie Schnittkräfte oder Spannungen hinreichend genau abgebildet werden sollen. Für diese Fälle sind die Modellgleichungen des MKS oft numerisch extrem steif. Sie können deshalb mit einem expliziten Integrationsverfahren nicht effizient gelöst werden. Der am IfM bisher benutzte rekursiven Order(N)-Algorithmus zur Berechnung der Beschleunigungen ist dann optimal wenn ein explizites Integrationsverfahren verwendet wird. Auf Modelle mit den oben genannten Eigenschaften kann der Algorithmus nicht effizient angewandt werden. In der alaska/simulationengine wird deshalb eine Formulierung der Bewegungsgleichungen in Absolutkoordinaten verwendet, deren Modellgleichungen die gleiche Struktur wie die der FEM aufweisen. Die Verwendung von Integrationsmethoden, die aus der FEM bekannt sind, ist damit naheliegend und wird bei der Entwicklung der alaska/simulationengine konsequent verfolgt. Neben der Steigerung des Detaillierungsgrads besteht im Zusammenhang mit der Modellierung flexibler Teile auch die Forderung, eine bestimmte Genauigkeit mit einer möglichst groben Diskretisierung zu erreichen. Dies besitzt besondere Relevanz für das am IfM entwickelte Werkzeug zur Simulation von Schläuchen und die Modellierung flexibler Komponenten von Windenergieanlagen. Zur Lösung dieses Problems wurde 2012 die alaska/ SimulationEngine um neue Modellelemente für Balken erweitert, die auf der Cosserat- Theorie basieren. Mit diesen Elementen können große Verformungen und nichtlineare anisotrope Materialeigenschaften erfasst werden. Damit kann z. B. bei der Bewegungssimulation von Schläuchen und Kabeln die geforderte Genauigkeit mit wesentlich weniger Elementen erreicht werden als mit den bisher eingesetzten Timoshenko-Balken. 6

15 Der Wunsch nach Echtzeitfähigkeit besteht auch bei der Verarbeitung der Sensorwerte von Motion-Capture-Systemen, mit denen menschliche Bewegungen erfasst werden. Mit der auf dem Menschmodell alaska/dynamicus basierenden Funktionalität zur Verarbeitung von Motion-Capture-Daten und der anschließenden Bewertung der erfassten Bewegungen hat sich das IfM ein wichtiges Standbein für die Anwendung des Menschmodells geschaffen. Die erreichte Praxistauglichkeit des Systems erlaubt die Erfassung großer Mengen von Bewegungsdaten. Die Forderung, die nachgelagerte Verarbeitung dieser Datenmengen bereits vor Ort möglichst in Echtzeit durchführen zu können, hat damit an Bedeutung gewonnen. Um dieses Ziel zu erreichen wurden 2012 erfolgreich Anstrengungen unternommen, die Effizienz der Algorithmen für die Rekonstruktion der Bewegung (inverse Kinematik) deutlich zu verbessern. 2 Dynamiksimulation technischer Systeme Die Arbeiten auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation von Windkraftanlagen wurden 2012 kontinuierlich fortgesetzt. Um eine Windkraftanlage im Hinblick auf die prognostizierte Lebensdauer zu bewerten, müssen nach den geltenden Vorschriften hunderte von Lastfällen simuliert werden. Der Bedarf an Rechenzeit ist deshalb für den praktischen Einsatz von Simulationswerkzeugen zur Lastberechnung ein entscheidendes Kriterium. Mit dem Modelliersystem von alaska/wind existiert die Möglichkeit, Anlagenmodelle mit einer beliebigen Auflösung abzubilden und zu simulieren. Um dieses Feature für die Lastrechnung attraktiv zu machen, wurde 2012 damit begonnen, die Bibliothek zur Berechnung von Wind- und Wellenlasten mit einer Schnittstelle für das implizite Lösungsverfahren der alaska/simulationengine auszustatten. Das ist die Voraussetzung dafür, dass die ausgezeichnete Performance des Solvers für hochaufgelöste MKS auch für die Simulation von Windkraftanlagen genutzt werden kann. Im Fokus der Arbeiten an dem Werkzeug zur Bewegungssimulation von Schläuchen stand 2012 die Neugestaltung des Modelliersystems. Es wurde eine strukturierte Beschreibung im XML-Format entwickelt und implementiert, mit der Systeme, bestehend aus einer beliebigen Anzahl von Schläuchen beschrieben werden können. Außerdem wurde die Solver-Bibliothek so gestaltet, dass sie als Plugin an die Standard-Benutzeroberfläche für Modelle der alaska/ SimulationEngine gelinkt werden kann. 3 Simulation von Mensch-Maschine-Systemen Die Arbeiten zur Kapselung der Funktionalität von alaska/dynamicus in einer C++-Bibliothek auf Basis der alaska/simulationengine wurden 2012 fortgesetzt. Sie bilden eine Voraussetzung für den Aufbau von Simulationsumgebungen, die neben dem Menschmodell als Solver noch weiteres Spezialwissen beinhalten, das für den jeweiligen Anwendungsfall charakteristisch ist. Für einen solchen Anwendungsfall die Bewertung von Arbeitsverrichtungen unter ergonomischen Aspekten wurde das neue Modell bereits in Teile der prototypisch aufgebauten Werkzeugkette integriert. Das Problem der Kompensation von Ausfällen optischer Marker unter praxisnahen Bedingungen, wie z. B. in der Fahrzeugmontage, wurde 2012 gemeinsam mit der A.R.T.-GmbH und der Volkswagen AG weiter bearbeitet. Die Genauigkeit und das Handling des hybriden Trackings wurden verbessert und die Auswirkungen von Sensorausfällen auf die Aussagekraft einer nachfolgenden Bewertung wurden untersucht wird A.R.T. das hybride System als neues Produkt anbieten. Dies wirkt sich auch auf die direkt anschließende Werkzeugkette des IfM aus, da die Messkonfiguration und die Qualität der gemessenen Signale unmittelbar in das zur Rekonstruktion der Bewegung benutzte Modell eingehen. Die Komponenten zur Aufzeichnung der Bewegung sowie zur Speicherung der Capture- Experimente in einer Datenbank wurden 2012 kontinuierlich weiter entwickelt und an die neuen Erfordernisse der Tracking-Technologie angepasst. 7

16 Die ersten Pilotprojekte mit der noch prototypischen Werkzeugkette haben gezeigt, dass ein wichtiger Schritt zu einer effizienten Weiterverarbeitung der erfassten Bewegungen deren automatisierte Strukturierung darstellt. Zu den dazu benötigten Algorithmen sowie hinsichtlich der damit verbundenen effizienten Erfassung der Bewegung von Teilen wurden 2012 grundlegende Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse 2013 in entsprechende Softwarekomponenten integriert werden sollen. 8

17 Entwicklungsschwerpunkte am IfM Die Tätigkeit des IfM konzentriert sich auf die Entwicklung einer Technologie, mit der Anwendern Simulationslösungen zur Verfügung gestellt werden können, die optimal an die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalles angepasst sind. Ein solcher Simulator besteht stets aus einem Simulationsmodell, aus Algorithmen zum Generieren und Lösen der Modellgleichungen und aus Möglichkeiten zur Auswertung der Simulation bzw. zur Berechnung von Größen, die eine Bewertung des simulierten Produktes oder Prozesses erlauben. Je nach den Erfordernissen der Anwendung können dabei Simulationsmodelle über unterschiedliche Schnittstellen entwickelt und genutzt werden. Das folgende Bild zeigt die verschiedenen Möglichkeiten der Anwendung der vom IfM entwickelten Technologie. Die drei Möglichkeiten der Arbeit mit Simulationsmodellen unterscheiden sich im Wesentlichen in der vom Anwender erwarteten Kompetenz auf dem Gebiet von Modellierung und Simulation. Entsprechend unterschiedlich sind die Möglichkeiten der direkten Einordnung der Simulation in Prozesse des Anwenders. Die Nutzung spezieller Modelliersysteme oder fest implementierter Modelle kann ohne Spezialwissen auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation erfolgen. Anwender können solche Werkzeuge direkt in ihre Prozesse integrieren. Beispiele für diese Technologie sind die im Folgenden beschriebene aktuelle Entwicklung von alaska/ Dynamicus sowie der Simulator für 1D-Kontinua, der als DLL unter verschiedenen anwendungsspezifischen Oberflächen genutzt werden kann. Für den im Bild links dargestellten allgemeinen Zugang über das alaska/ ModellerStudio sind Spezialkenntnisse auf dem Gebiet von Modellierung und Simulation eine notwendige Voraussetzung. In diesem "klassischen" Modus der Anwendung sind Entwickler und Nutzer der Modelle meist identisch, da auch für die Nutzung der Modelle die Beherrschung des Modelliersystems notwendig ist. 9

18 Die anwendungsspezifische Modellierung mit nachgelagerter Nutzung des alaska- Modelliersystems, wie sie in alaska/wind umgesetzt ist, erlaubt eine personelle Trennung zwischen der Nutzung und der Entwicklung der Modelle. Diese Trennung entspricht der Arbeitsweise in der WKA-Branche. Einzelne Komponenten der Anlage werden mit dem alaska-modelliersystem modelliert. Hierzu sind entsprechende Spezialkenntnisse erforderlich. Durch Verwendung eines Baukastensystems können diese Subsystem-Modelle einfach in Modelle der gesamten Anlage integriert und über eine an die Arbeitsweise der Branche angepasste Schnittstelle genutzt werden. 10

19 1 MKS-Simulationstool alaska alaska ist die Software des IfM zur Modellierung und Simulation von mechatronischen Systemen. Der Fokus der Entwicklung von alaska liegt auf Anwendungen in der Systemdynamik und hier wiederum auf der Modellierung und Simulation der mechanischen Komponenten als Mehrkörpersystem. Das Modelliersystem und die Analysefähigkeiten von alaska werden stets benötigt, wenn Modelle neu entwickelt und getestet werden. Dafür bietet alaska eine komfortable interaktive Entwicklungsumgebung, das alaska/modellerstudio. Dieses Tool wurde speziell für das Debugging von Modellen entworfen und erlaubt durch den direkten Anschluss der Systemanalyseprogramme, die 3D-Visualisierung und die zur laufenden Simulation synchrone Ausgabe beliebiger Resultate eine komfortable Lokalisation von Problemen auch in umfangreichen Modellen. Neben seinen Fähigkeiten zum interaktiven Test von Modellen bietet das Modelliersystem von alaska durch seinen auf Variablen basierenden Ansatz weitere nützliche Features. Dazu gehört die Möglichkeit einer Trennung von Modell und Parametern, die Unterstützung der Parametrisierung durch das automatische Auffinden von Variablen, die als Parameter geeignet sind sowie die komfortable Arbeit mit Parametersätzen, denen beispielsweise in der WKA-Branche die Lastfälle entsprechen. Die Anwendung von alaska zur Bewertung von Produkten und Prozessen erfordert in der Regel eine Vielzahl von Analyserechnungen für unterschiedliche Parameter des Modells. Diese werden anschließend nach einem anwendungsspezifischen Schema ausgewertet. Für die effiziente Abarbeitung solcher Projekte kann mit dem Modul alaska/batch der Analysekern von alaska ohne die Oberfläche des alaska/modellerstudio genutzt werden. Bei einem Aufruf von alaska/batch können ein oder mehrere Parametersätze in das Modell eingesetzt und eine zuvor definierte Analyseprozedur ausgeführt werden. Oft steht in lokalen Netzwerken Rechenkapazität zur Verfügung, die nicht ständig genutzt wird. Das Modul alaska/dc (Distributed Computation) ermöglicht die Erschließung solcher Kapazitäten für die Durchführung von Simulationsrechnungen mit alaska/batch. Es setzt eine beliebige Menge an bereitgestellten Parametersätzen in ein Modell ein und verteilt die angeforderten Analyserechnungen auf Rechenkerne in einem lokalen Netzwerk, deren Kapazität gerade nicht genutzt wird. Zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten bietet alaska eine Reihe von Schnittstellen und zusätzlichen Bibliotheken. Dazu gehören beispielsweise verschiedene Möglichkeiten der Kopplung mit dem Systemsimulationstool Matlab/Simulink. Speziell zur Modellierung von Antriebssystemen wurde die Bibliothek alaska/gear entwickelt. Modell einer zweifachen Getriebestufe 11

20 Soll über die klassische Starrkörpermechanik hinaus auch die Elastizität der Körper des Modells berücksichtigt werden, so stellt alaska/flexible eine entsprechende Erweiterung des Analysekerns und verschiedene Möglichkeiten der Generierung flexibler Körper zur Verfügung. Diese beinhalten eine Schnittstelle zu dem FEM-Code ANSYS, die eine modale Reduktion beliebiger FEM-Modelle mit hoher Performance erlaubt. Außerdem gehört zu diesem Modul ein Programm zur modalen Reduktion von Balkenstrukturen. Dieses wird insbesondere für die automatisierte Generierung von Blatt- und Turmmodellen für Windkraftanlagen genutzt. alaska bietet verschiedene Analysemöglichkeiten. Dazu gehören neben dem Standardfall der numerischen Integration der Bewegungsgleichungen für vorgegebene Anfangsbedingungen die Berechnung eines mit Zwangsbedingungen konsistenten Zustandes, einer Gleichgewichtslage sowie die Berechnung der Eigenfrequenzen, Eigenformen und Systemmatrizen des linearisierten Systems. Die aktuelle Entwicklung von alaska konzentriert sich auf die Verbindung des Modelliersystems von alaska mit den Fähigkeiten der alaska/simulationengine. Dabei werden zwei unterschiedliche Strategien verfolgt. Einerseits soll das sehr effiziente Lösungsverfahren der alaska/simulationengine für alaska-modelle erschlossen werden. Dazu wird ein Interface so entwickelt, dass die SimulationEngine aus Sicht von alaska wie eine spezielle Analysetask angesprochen werden kann. Andererseits sollen Modelle, die unter alaska aufgebaut und getestet wurden, als Programmcode exportiert werden, so dass sie gemeinsam mit den Solvern der alaska/simulationengine in Spezialtools integriert werden können. Modellierung flexibler Körper Neben Starrkörpern können die MKS-Modelle in alaska auch flexible Körper genauer elastische, massebehaftete Körper enthalten. Signifikante Unterschiede zum Starrkörper, die die Arbeit mit flexiblen Körpern entscheidend beeinflussen, sind folgende: Der Bewegungszustand (Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung) des flexiblen Körpers kann nicht in jedem beliebigen Punkt durch einfache Transformationen aus dem Bewegungszustand des körperfesten Bezugssystems berechnet werden. Die zur Modellierung von Wechselwirkungen benutzten Koordinatensysteme müssen deshalb vor Generierung des flexiblen Körpers bekannt sein. Die Schwerpunktkoordinaten in Bezug auf das körperfeste Bezugssystem und der gewöhnliche Trägheitstensor des flexiblen Körpers hängen von der Deformation des Körpers ab. Sie können deshalb nicht wie beim starren Körper im Modell zugewiesen werden sondern werden vom Analysekern aus den Zustandsgrößen und der Modellbeschreibung des flexiblen Körpers berechnet. Das mathematische Modell für flexible Körper wird gebildet, indem der Starrkörperbewegung des unverformten Körpers elastische Deformationen überlagert werden. Es gilt die lineare Theorie, d. h. die elastischen Deformationen sind klein, die Kraft-Verschiebungs-Beziehung ist linear. Die Starrkörperbewegung wird wie beim starren Körper durch Lage und Orientierung des körperfesten Bezugssystems (sowie deren zeitliche Ableitungen) beschrieben. Die elastischen Deformationen und deren zeitliche Ableitungen werden durch Multiplikation sogenannter elastischer Koordinaten (Flexible-Body-Variable, Zustandsgrößen des flexiblen Körpers) mit Verschiebungsansätzen berechnet. Die Verschiebungsansätze sind Verhältnis- 12

21 se der Verschiebungen und Verdrehungen in den Knoten des flexiblen Körpers gegenüber der Referenzkonfiguration. Sie werden auch Moden genannt. Die Qualität der mit diesem Verfahren berechneten Ergebnisse hängt wesentlich davon ab, wie gut mit den verwendeten Ansätzen (Moden) das tatsächliche Verhalten abgebildet wird. Dies kann von alaska nicht geprüft werden und liegt in der Verantwortung des Anwenders. Um die Bewegungsgleichungen eines flexiblen Körpers automatisiert zu erzeugen, wird eine modale (auf die Moden bezogene) Beschreibung des flexiblen Körpers benötigt. Dazu gehören die Referenzkonfiguration und deren Trägheitseigenschaften, die Moden sowie sogenannte Trägheitsinvarianten, welche Volumenintegrale unter Berücksichtigung der ausgewählten Moden darstellen. Die modale Beschreibung für flexible Körper kann nur mit Hilfe eines externen Programmes berechnet werden. Der alaska-analysekern liest die Objekte der modalen Beschreibung aus einer separaten Datei ein. Die Datei hat das Format XML. In alaska existieren zwei Möglichkeiten zur Berechnung einer modalen Beschreibung. Es kann das am IfM entwickelte Tool alaska/flexible genutzt werden oder es werden FEM- Modelle, die mit dem Werkzeug ANSYS entwickelt wurden, mit Hilfe des vom IfM entwickelten Tools ansys2alaska reduziert. Das Tool alaska/flexible erlaubt die Beschreibung von flexiblen Körpern durch Balkenstrukturen. Es benutzt ein Timoshenko-Balkenelement mit der zugehörigen konsistenten, d. h. vollbesetzten Massenmatrix. Schubmittelpunkt und Flächenschwerpunkt der verwendeten Elemente müssen nicht zusammenfallen. Für die Berechnung der Trägheitsinvarianten wird eine konsistente Masseverteilung bezüglich der Knoten berechnet, so dass die reduzierte Massenmatrix (Invariante I6) eine Diagonalmatrix ist. Als Moden (Ansatzfunktionen) können entweder die Eigenvektoren der Struktur verwendet werden oder es wird eine Reduktion auf eine frei wählbare Zahl von Masterfreiheitsgraden nach dem Craig-Bampton-Verfahren durchgeführt. alaska/flexible gibt ein komplettes MKS-Modell für den flexiblen Körper einschließlich der für die Berechnung von Schnittkräften benötigten zusätzlichen Informationen aus. Mit ansys2alaska, dem Tool zur Reduktion von ANSYS-Modellen können auch sehr große Modelle mit guter Performance reduziert und in alaska simuliert werden. Die Performance bei der Simulation wird erreicht, indem die ausschließlich zur Visualisierung benötigten Knoten von den Knoten, die für die Systemanalyse benötigt werden, getrennt werden. Die Bewegung der für die geometrische Darstellung benötigten Knoten wird mit optimiertem Code von den Darstellungsprogrammen beim Update des 3D-Viewers berechnet. Sie entfällt damit im Batch-Modus vollständig. Zur Verbesserung der Visualisierungs-Performance wird darüber hinaus ein separates Tool, der FlexGeomReducer, bereitgestellt. Dieses reduziert die Anzahl der Dreiecke der Oberflächendarstellung auf einen angegebenen Wert, so dass die Abweichung von der ursprünglichen Geometrie möglichst klein ist. Die für die Visualisierung der Bewegung verwendeten Moden werden auf die verbliebenen Knoten reduziert. Die verbesserte Performance bei der Reduktion der Modelle wurde durch Codierung der Algorithmen zur Berechnung der modalen Invarianten unter Verwendung der C++-Bibliothek Eigen erreicht. Diese optimiert algebraische Operationen hinsichtlich der Speicherzugriffe. 13

22 Simulation von Windkraftanlagen (WKA) Die Simulation der Dynamik von Windkraftanlagen mit der Methode der Mehrkörperdynamik erfordert Funktionalitäten, die über den Basisumfang allgemeiner Mehrkörperdynamik- Werkzeuge hinausgehen. Initiiert durch den wachsenden Bedarf aus der Branche der WKA- Hersteller erweitern die Entwickler von Mehrkörpersystem-Simulationsprogrammen aktuell den Leistungsumfang ihrer Produkte. Diese Erweiterungen betreffen vor allem die Berechnung von Wind- und Wellenkräften und deren physikalisch richtiges Wirken auf die mechanische Struktur, die Berücksichtigung der elastischen Deformationen von Rotorblättern und Turm, die Möglichkeit der Beschreibung auslegungs- und zertifizierungsrelevanter Belastungsszenarien sowie Methoden der effizienten Modellnutzung im täglichen Einsatz beim WKA-Hersteller (Kombination von Subsystem- Modellen, Bedatung der Modelle, Generierung von Blatt-/Turmmodellen, Abarbeitung von Lastfallrechnungen, ). Für das Simulationswerkzeug alaska wurden diese für einen erfolgreichen Einsatz erforderlichen Erweiterungen im Rahmen eines vom BMU von 2007 bis 2010 geförderten Projektes durchgeführt. Dabei konnte auf Vorarbeiten, die vom Anlagenhersteller Nordex Energy GmbH finanziert wurden, zurückgegriffen werden. Die Projektpartner Nordex Energy GmbH und TÜV Nord Systec GmbH unterstützten die Arbeiten am Förderprojekt durch die Spezifikation von Anforderungen, die Durchführung von Vergleichsrechnungen mit Konkurrenzprodukten zur Validierung sowie durch die Bereitstellung von entsprechenden Anlagen- Parameterwerten. Die zu Gesamtanlagen-Modellen kombinierbaren Subsystem-Modelle des alaska/wind-beispielmodells Das Ergebnis dieser Entwicklungen ist alaska/wind. alaska/wind ist ein Beispiel für die anwendungsspezifische Erstellung und Nutzung von alaska-simulationsmodellen (s. Abschnitt Entwicklungsschwerpunkte am IfM, MKS-Simulationstool alaska). Dabei wird konsequent der Tatsache Rechnung getragen, dass in Unternehmen nicht alle Anwender über entsprechendes Modellierungs-Know-how verfügen können und müssen. Anwender mit branchenspezifischem Know-how (z. B. Lastrechnungs-Ingenieure) nutzen bereitgestellte und validierte Simulationsmodelle für umfangreiche Routine-Berechnungsaufgaben. Dabei sind die Simulationsmodelle nur noch durch Vorgabe problemspezifischer Parameterwerte an die aktuelle Simulationsaufgabe anzupassen. Der Prozess der Modellentwicklung, z. B. zur Berücksichtigung zusätzlicher Funktionalität oder der detaillierteren Abbildung des dy- 14

23 namischen Verhaltens einer Windkraftanlage, wird von den Anwendern durchgeführt, die über das spezielle Modellierungs-Know-how verfügen. Grundlage dieser Modellentwicklungen und -erweiterungen ist das Simulationsmodell einer Beispiel-Windkraftanlage. Dieses Simulationsmodell enthält alle Modellkomponenten die notwendig sind, um sofort mit Simulationsrechnungen beginnen zu können. Es besteht aus sogenannten Subsystem-Modellen. Das sind separat lauffähige Simulationsmodelle für die Hauptbaugruppen einer WKA. Diese Simulationsmodelle sind parametrisiert aufgebaut. Dabei wird eine sinnvolle Trennung der Modelldefinition von den Modellparameterwerten realisiert. Unterschiedliche Parameterdateien beschreiben unterschiedliche Varianten ein und derselben Modelldefinition. Das komplette Simulationsmodell der Beispielanlage kann durch die Angabe einiger weniger Designparameter und der Verwendung anlagenspezifischer Blatt- und Turm-Daten sehr effizient an die tatsächlichen Gegebenheiten der zu untersuchenden Anlage angepasst werden. Ein sinnvoller Einsatz eines WKA-Simulationsmodells ist nur in Verbindung mit einem Regler, der zumindest das Generatormoment sowie den Pitchwinkel der Blätter vorgibt, möglich. Teil des Modells der Beispielanlage ist ein solcher Regler. Dieser Regler wird als Programmquelltext zur Generierung einer dynamisch ladbaren Bibliothek (DLL) und als adäquates MATLAB/Simulink-Modell bereitgestellt. Er dient vor allem der Illustration der Verwendung der Schnittstellen. Mit diesem Beispiel wird der Modellentwickler in die Lage versetzt, eigene Regler bzw. Betriebsführungen per DLL-Schnittstelle an das alaska/wind-simulationsmodell anzubinden bzw. eigene Simulink-Modelle mit dem WKA-Simulationsmodell in alaska/wind zu koppeln. Entwicklung höher detaillierter Subsystem-Modelle am Beispiel des Getriebe-Subsystems Wesentlicher Bestandteil von alaska/wind ist die eigens entwickelte Aerodynamik-Bibliothek. Um die Richtigkeit der dort implementierten Berechnungsmethoden für die an der Struktur an-greifenden aerodynamischen Kräfte unter Berücksichtigung spezifischer Effekte wie z. B. dynamischer Stall, Spitzenverluste und induzierter Wind zu testen, wurden umfangreiche Validierungsrechnungen durchgeführt. Diese Validierungen erfolgten in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Nordex Energy GmbH (Rechnungen mit Flex5) und TÜV Nord Systec GmbH (Rechnungen mit Bladed). Zusätzlich zu den von den Partnern verwendeten Simulationswerkzeugen Flex5 und Bladed wurden am IfM auch Vergleichsrechnungen mit dem frei verfügbaren Berechnungswerkzeug FAST durchgeführt. Dabei konnte eine sehr gute Übereinstimmung der mit alaska/wind berechneten Ergebnisse mit den Resultaten der in der Branche etablierten Simulationscodes nachgewiesen werden. Die Aerodynamik- Bibliothek leistet auch die Berechnung der Belastungen von Unterwasserstrukturen durch Wellen und Strömung. Um zukünftigen Anforderungen gerecht werden zu können, wurde der entsprechende Methodenvorrat erweitert. 15

24 WORKBENCH Wind - erlaubt u. a. die Generierung von Blattmodelle bzw. deren Konvertierung aus anderen Beschreibungsformen (Flex5) Das Modellierungskonzept von alaska/wind erlaubt eine einfache Erweiterung der Subsystem-Modelle, um mehr Modellfunktionalität zu berücksichtigen. Das alaska/wind- FRAMEWORK garantiert dabei den richtig positionierten Einbau der Subsystem-Modelle in das Gesamtanlagen-Modell. Vordefinierte Datenaustauschkanäle (Source/Target) organisieren die Verfügbarkeit erforderlicher Systemgrößen in den jeweiligen Subsystemen. Neben der Erweiterung der Funktionalität der vorhandenen Subsystem-Modelle ist auch eine Erweiterung bzw. Änderung der vorgegebenen Anlagenstruktur möglich. Mit alaska/wind können also auch Anlagenkonzepte mit erweitertem, reduziertem oder verzweigtem Triebstrang untersucht werden. Das allgemeine alaska-dll-interface bietet die Möglichkeit, extern definierte Modellfunktionalität an alaska-simulationsmodelle anzubinden. Damit ist es möglich, mit alaska/wind alternative Triebstrangkonzepte z. B. mit Leistungsverzweigung oder auch hydrodynamischen Drehmomentwandlern zu untersuchen. Soll ein Simulationswerkzeug wie alaska/wind in den Lastrechnungsabteilungen der Anlagenhersteller oder beim Zertifizierer eingesetzt werden, sind spezielle Bedienungskonzepte erforderlich. Das resultiert aus der Tatsache, dass der Lastrechnungs-Ingenieur nicht zwingend über das Modellierungs- und Bedien-Know-how komplexer Mehrkörperdynamik- Simulationswerkzeuge verfügt und die Modellentwicklung nicht seinem Tätigkeitsfeld entspricht. Vielmehr kennt er das für die Zertifizierung geltende Regelwerk und verfügt über das notwendige Wissen zur Beschreibung von Lastfall-Szenarien, Windbedingungen (Böen, Turbulenzen, ) sowie von Blatt- und Turm-Modellen. Mit der WORKBENCH Wind steht ein Software-Werkzeug zur Verfügung, das genau diese Arbeitsweise unterstützt. Neben dem Generieren von Blatt- und Turm-Modellen unterstützt die WORKBENCH Wind das Bedaten von Subsystem-Modellen, die Definition von Lastfällen und Windszenarien sowie die Erstellung von Gesamtanlagen-Modellen durch Auswahl der zu verwendenden Subsystem-Modelle. Das bedeutet, der Anwender der WORKBENCH Wind muss keine MKS-Modellierung im eigentlichen Sinne durchführen, sondern versorgt vorhandene Modelle mit Daten und kombiniert diese zu Modellen der gesamten Anlage. Alle relevanten Daten (Modelldefinitionen, Modellparameterwerte, Anlagenkonfiguration, Beschreibungen von Belastungsszenarien, Berechnungssteuerung usw.) werden unter Verwendung dokumentierter Formate in lesbaren Dateien abgelegt. Damit ist es möglich, sehr 16

25 große Anzahlen von einzelnen Berechnungsaufgaben durch die Nutzung von Script-Dateien oder spezieller Präprozessoren automatisiert zu definieren und durchzuführen. Die Abarbeitung kann unter Verwendung von alaska/dc (Distributed Computation) auf beliebig viele Rechner im Netzwerk verteilt werden. Schließlich erlaubt alaska mit einer frei definierbaren Resultat-Schnittstelle die Anpassung der Ausgabe von Berechnungsergebnissen an die vom Nutzer gewünschte Form. Die Möglichkeit der kompletten Automatisierung von Modellvorbereitung, Berechnungsdurchführung sowie der Resultatgenerierung erlaubt die optimale Integration von alaska/wind in die beim Anwender etablierten Produktentwicklungsprozesse. Kopplung von alaska und Matlab/Simulink Mechatronische Systeme werden oft nicht mit einem einzigen Werkzeug entwickelt. Stattdessen werden Werkzeuge, die auf einem bestimmten Gebiet besonders leistungsfähig sind, mit anderen Werkzeugen gekoppelt. Das Werkzeug MATLAB/Simulink besitzt besondere Stärken auf dem Feld der Modellierung nichtmechanischer Komponenten und wird verbreitet für die Auslegung von Reglern genutzt. Eine Kopplung mit diesem Tool ist deshalb für das Werkzeug alaska ein wichtiges Feature. Im Folgenden werden die derzeit verfügbaren Varianten der Kopplung beschrieben. Die Unterschiede bestehen darin, welches der beiden Systeme die Steuerung der Simulation übernimmt, bzw. ob die Kopplung auf Modellebene oder auf Simulatorebene (Simulatorkopplung, Co-Simulation) erfolgt. Modellkopplung alaska MATLAB/Simulink Bei dieser Methode wird das alaska-modell genauer das zugehörige mathematische Modell beschrieben durch Differentialgleichungen als Teilmodell in die Simulationsumgebung von MATLAB/Simulink eingebunden. Die Bewegungsgleichungen des Gesamtmodells werden komplett von MATLAB/Simulink mit einem Solver gelöst. Eine kontinuierliche zweiseitige Wechselwirkung der einzelnen Teilsysteme (alaska und MATLAB/Simulink) ist bei diesem Vorgehen garantiert. Technisch wird der Rechenkern von alaska als S-Function in das jeweilige MATLAB/ Simulink-Modell integriert. Dadurch ist eine flexible Integration beliebiger alaska-modelle in die MATLAB/Simulink-Umgebung möglich. Die alaska-modelle werden mit Hilfe der alaska- Modellbeschreibungssprache beschrieben und können dadurch sowohl im alaska/modeller- Studio als auch in MATLAB/Simulink benutzt werden. Auch das Postprozessing (3D-Animation, Darstellung von Diagrammen, Ausgabe von Tabellen) kann nach erfolgter Simulation wahlweise im alaska/modellerstudio erfolgen. Nutzung des MATLAB/Simulink-Coders Mit Hilfe des MATLAB/Simulink-Coders (Real-Time-Workshop) lassen sich Modelle aus MATLAB/Simulink als C- bzw. C++-Code exportieren. Bei Verwendung spezieller hierfür vorgesehener Steuerfiles (Targets) lässt sich C++-Code generieren, aus dem eine DLL für ein zeitdiskretes System innerhalb eines alaska-modells erzeugt werden kann. 17

26 Diese DLL kann in jedes alaska-modell eingebunden werden. Das Verfahren entspricht einer Simulatorkopplung zwischen alaska und MATLAB/Simulink. Dabei erfolgt der Austausch von Daten (Lagen, Geschwindigkeiten, Kräfte, Momente etc.) zu festgelegten Zeitpunkten. Zwischen diesen Zeitpunkten werden die Teilsysteme unabhängig voneinander simuliert. Co-Simulation alaska MATLAB/Simulink Wie bei den über den MATLAB/Simulink-Coder erzeugten diskreten Systemen für alaska wird hier das MATLAB/Simulink-Modell in alaska über ein diskretes System angebunden, d. h. es handelt sich um eine Simulatorkopplung. Dabei steuert das diskrete System den Datenaustausch zu einer parallel ausgeführten MATLAB/Simulink-Simulation über eine TCP/IP- Netzwerkverbindung. Die beiden Simulationen können dabei auf verschiedenen Rechnern erfolgen. alaska sendet bei der Kopplung Daten an die MATLAB/Simulink-Simulation, dort werden sie verarbeitet und die Ergebnisse zurück an alaska gesendet. Nachdem alaska die Ergebnisse von MATLAB/Simulink empfangen hat wird die alaska-simulation bis zum nächsten Datenaustausch fortgesetzt. Es ist also immer eine der beiden Simulationen (MATLAB/Simulink bzw. alaska) aktiv, während die andere den Abschluss der Co-Simulation abwartet. alaska-modell als Mex-Funktion Eine weitere Methode der Simulatorkopplung zwischen alaska und MATLAB/Simulink besteht im Erzeugen einer Mex-Funktion aus einem alaska-modell. Hierbei wird das alaska- Modell mit Hilfe eines speziell hierfür entwickelten Programmes zunächst in ein alaska/simulationengine-modell konvertiert. D. h. es wird C++-Code erzeugt. Dieser Quellcode wird dann als Mex-Funktion in eine DLL kompiliert. Vom MATLAB/Simulink-Modell wird dieses Teilmodell als Standard-S-Function eingebunden. In diesem Fall steuert MATLAB die Simulation des Gesamtsystems. 18

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28 2 Algorithmen und Spezialtools Die alaska/simulationengine, eine C++-Bibliothek zur Modellierung und Simulation von Mehrkörpersystemen, ist die Plattform für die Entwicklung von Spezialtools und für die Innovation im Bereich der Algorithmen. Auf diesem Gebiet entwickelt das IfM ein Lösungsverfahren, das insbesondere für hoch aufgelöste Mehrkörpersysteme robust und mit sehr guter Performance arbeitet. Ursache für diese Konzentration auf hoch aufgelöste MKS ist die Tatsache, dass die Annahme, dass sich die Dynamik komplexer Systeme oft mit relativ wenigen Zustandsgrößen, d. h. mit sehr grob aufgelösten Modellen, hinreichend genau beschreiben lässt, in vielen Fällen nicht den aktuellen Fragestellungen der Anwender entspricht. Um diesen zu entsprechen bietet das IfM eine Alternative zu den bisher kultivierten Lösungsverfahren an, mit der gerade der Einfluss solcher Effekte untersucht werden kann, die durch die klassischen Idealisierungen der Mehrkörperdynamik als vernachlässigbar galten. Effekte, die zu höher aufgelösten Modellen führen, sind z. B.: Starrkörper werden zunehmend durch flexible Körper ersetzt, deren innere Dynamik zudem oft durch eine große Anzahl von Moden beschrieben wird, so dass die Anzahl der Zustandsgrößen zur Beschreibung der Flexibilität den Starrkörperfreiheitsgrad deutlich übersteigt. Ideale kinematische Bindungen werden durch Kraftelemente ersetzt, weil z. B. der Einfluss von Spiel und Elastizität in Lagern von Interesse ist. Dieser Trend entzieht den rekursiven Algorithmen zum Aufstellen der Bewegungsgleichungen, die auf kinematischen Ketten basieren, die Grundlage für ihre Effizienz. Es wird die Dynamik von Konstruktionselementen berücksichtigt, die in der Vergangenheit als masselose Kraftkopplungen betrachtet werden konnten. Dies führt zu einer feineren Diskretisierung. Die damit verbundene Erhöhung des Freiheitsgrades verändert die mathematischen Eigenschaften der Modellgleichungen und entsprechend verändern sich die benötigten Algorithmen zu deren Lösung. Diesen Trends entspricht die am IfM gegenwärtig entwickelte neue Umgebung für die Modellierung und Simulation von Mehrkörpersystemen, die alaska/simulationengine. Anders als der vorhandene Analyse-Kern von alaska ist die alaska/simulationengine kein fertiges Simulationswerkzeug sondern eine C++-Bibliothek, die als Grundlage für die Entwicklung von Anwendungen verwendet werden kann. Sie beinhaltet Klassen zur Modellierung von Mehrkörpersystemen sowie effiziente und robuste Lösungsverfahren, die speziell für die Problemklasse der hoch aufgelösten MKS ausgelegt wurden. Die Implementierung als Bibliothek bietet den Vorteil, dass die enthaltenen Methoden sowohl über die Schnittstelle des allgemeinen Modelliersystems von alaska als auch innerhalb von Spezialwerkzeugen mit fest implementiertem Modell oder speziellem Modelliersystem genutzt werden können. Erste Anwendungen der alaska/simulationengine sind die neue Implementierung des Menschmodells alaska/dynamicus (festes Modell) und ein Spezialwerkzeug für die Simulation von 1D-Kontinua (spezielles Beschreibungssystem). Simulationsumgebung für in C++ geschriebene Modelle Modelle, die mit den MKS-Klassen der alaska/simulationengine beschrieben sind, besitzen per se keine Verbindung zur Umgebung, d. h. die Simulation kann zwar durchgeführt werden, aber es werden weder Ergebnisse ausgegeben noch können Parameter geändert werden. Diese Unabhängigkeit von der Verwendung ist gerade die Voraussetzung für ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Umgebungen. 20

29 Um solche Modelle testen bzw. um sie in Spezialtools einsetzen zu können, müssen sie unter einer grafischen Bedienoberfläche arbeiten, mit der Parameter verändert und gespeichert, Berechnungen gestartet und überwacht sowie Parameter und Ergebnisse dokumentiert werden können. Aus Effizienzgründen ist es nicht sinnvoll, für jedes Modell eine eigene Benutzeroberfläche zu entwickeln. Vielmehr wird das Ziel verfolgt, Modelle soweit wie möglich als Plug-In unter einer Standardoberfläche benutzen zu können. Das heißt, die Modelle der SimulationEngine werden als DLL kompiliert und können vom GUI bei Bedarf geladen werden. Dadurch ist es möglich, eine universelle Benutzeroberfläche bereitzustellen bzw. Komponenten der Oberfläche oder Komponenten zur Bedatung von Modellen mehrfach zu nutzen. Zur Realisierung dieser Trennung von Modell und Außensicht auf das Modell wurde ein Property-System auf Basis von boost-bibliotheken entwickelt, das wie in der folgenden Abbildung dargestellt die Kommunikation zwischen Benutzeroberfläche, Parameterdateien etc. und dem in flacher Hierarchie gespeicherten Modell realisiert. Auf diese Weise bringt das Modell die zu ihm gehörende Außensicht mit, und die Module der Benutzeroberfläche arbeiten nicht direkt mit dem Modell sondern mit den zwischengeschalteten Properties. Sie können damit weitgehend unabhängig vom konkreten Modell gestaltet werden. Das Property-System sowie eine Reihe von Komponenten, die auf diesem basieren, können gemeinsam mit einem universellen GUI zur Simulation beliebiger mit der alaska/ SimulationEngine beschriebener Modelle genutzt werden. 21

30 Standard-Benutzeroberfläche ohne geladenes Modell Aus Sicht der Benutzeroberfläche ist das Modell ein Plug-In, d. h. die Modelle der Simulation-Engine werden als DLL kompiliert und bei Bedarf vom GUI geladen. Dadurch ist es möglich, eine universelle Benutzeroberfläche bereitzustellen. Standard-Benutzeroberfläche mit geladenem Modell Das in der DLL bereitgestellte Modell enthält neben dem eigentlichen physikalischen Modell (Körper, Gelenke, Kräfte) auch Beobachtungsgrößen und geeignete Simulationsaufgaben (Tasks) mit denen das Modell analysiert werden kann. Ebenso sind Informationen zur 3D- Darstellung und zu Tabellen enthalten. 22

31 Nach dem Laden des Plug-Ins in die Benutzeroberfläche werden die mit dem Property- System beschriebene Hierarchie aller Modellelemente und Tasks automatisch angezeigt. Ebenso können die mit dem Property-System als Ausgänge definierten Variablen in Tabellen oder Diagrammen angezeigt werden. Modell während einer Simulation Als spezielles Anzeigeelement kann in der Benutzeroberfläche ein Strukturgraph der Modelle (Topologie) gewählt werden. Der Graph verdeutlicht die Zustandsgrößen und deren Verknüpfungen untereinander über Kraftkoppelelemente und Gelenke. Modell mit Anzeige der Topologie 23

32 Nichtlineare Simulation von eindimensionalen Kontinua Zur Simulation der Bewegungen (Deformationen) werden in der Systemdynamik verbreitet eindimensionale Kontinua, wie z. B. Timoshenko-, Bernoulli- oder Cosserat-Balken verwendet. Neben dem Werkzeug alaska/flexible, das für beliebige (verzweigte) Balkenstrukturen Modelle für flexible Körper auf der Grundlage eines linearen Ansatzes erzeugt, entwickelt das IfM einen Solver für die Simulation der großen (nichtlinearen) Bewegung schlanker, eindimensionaler Teile. Anwendungsfälle sind beispielsweise Schläuche, Kabel oder Spiralfedern. Das Werkzeug ist als dynamische Bibliothek konzipiert und kann unter verschiedenen Oberflächen genutzt werden. Ausgangspunkt ist eine an das spezielle Problem angepasste Beschreibung des Modells. Durch die Festlegung auf eine sehr eingeschränkte Modellklasse kann das Modell in einer spannungsfreien Referenzlage nur durch Vorgabe des Verlaufes der Mittellinie und des Materials über der Länge beschrieben werden. Unter Hinzunahme einer Information über die Diskretisierung wird das Modell dynamisch ohne weitere Dateischnittstellen aus Klassen der alaska/simulationengine aufgebaut. Hier zeigt sich der Vorteil des C++-Modelliersystems im Vergleich zum deklarativen Modelliersystem von alaska, das eine dynamisch veränderliche Anzahl von Modellelementen nicht erlaubt. Neben dem eigentlichen Modell des 1D-Teils und den Randbedingungen am Anfang und am Ende können weitere Modellelemente definiert werden, die Kräfte auf das Teil bewirken. Da die betrachteten 1D-Teile oft nicht in der spannungsfreien Referenzlage, sondern in einem vorgespannten Zustand montiert sind, kann sich an die Generierung des Modells ein Montageprozess anschließen, bei dem alle mit dem Teil verbundenen Zwangsbedingungen erfüllt werden. Wegen der Nichtlinearität ist dabei die Reihenfolge der Berücksichtigung der Gleichungen wählbar. Für die eigentliche Bewegungssimulation können beliebige Koordinatensysteme, die mit den modellierten Teilen in Verbindung stehen, als Funktion der Zeit bewegt werden. Das Tool berechnet den zugehörigen Verlauf der Mittellinie sowie weitere abgeleitete Größen. Optional kann eine quasistatische oder eine dynamische Analyse durchgeführt werden. Damit können unter speziellen Oberflächen Bauraum und Beanspruchung berechnet werden. Außerdem kann die Bibliothek als Kraftelement in andere Modelle integriert werden. Die realistische Simulation praxisrelevanter flexibler Systeme erfordert die Abbildung großer Verformungen und anisotroper Materialgesetze. Um diesen Wunsch gerecht zu werden, wurde ein neues Balkenelement implementiert, das auf der Cosserat-Theorie basiert. Aus diesem Grund wurde die aktuelle Version der alaska/simulationengine um ein Cosserat- Balkenelement erweitert. Mit diesem Element können große Verformungen von Balkenstrukturen bei wesentlich gröberer Diskretisierung als es mit klassischen Timoshenko-Balken möglich ist, simuliert werden. Als Beispiel sind hier Ergebnisse für einen elastischen Balken (E = 76.1 N/mm², G = 213 N/mm²) der Länge mm gezeigt. Im entspannten Zustand ist der Balken gerade. Das Balkenelement wurde zunächst zu einem Viertelkreis mit einem Radius von 60 mm gebogen und anschließend um 90 um die Längsachse verdreht. Deutlich zu erkennen ist die höhere Genauigkeit der Cosserat-Formulierung bei gleicher Diskretisierung. Als Fehler wurde die Summe der quadratischen Abweichungen der Knotenpositionen von der Referenzlösung verwendet. 24