ForschungZentralprojekte
Teilprojekt Z1

Z1 – Digitaler Zwilling einer Windenergieanlage

Kurztitel: Digitaler Zwilling

Der Digitale Zwilling ist zugleich Kerninnovation und neuralgischer Bestandteil des SFB, der mit zahlreichen Schnittstellen eine globale Verknüpfung aller Teilprojekte (TP) direkt oder indirekt herstellt. Das globale Ziel besteht darin, den Digitalen Zwilling als echtzeitfähiges, reduziertes Gesamtmodell einer realen Offshore-Windenergieanlage (OWEA) zu etablieren und zu definierten Abtastzeitpunkten an deren Langzeitverhalten anzupassen. Das Konzept des Digitalen Zwillings, zu finden. Die Arbeitshypothese dieses Zentralprojekts lautet, dass das virtuelle, adaptive und echtzeitfähige Abbild einer Megastruktur, hier OWEA, unter Berücksichtigung der relevanten dynamischen Interaktionen numerische Berechnungen erfordert, die nur durch die Kombination mehrerer reduzierter Partialmodelle ermöglicht werden können. In diesem Kontext ist die vollständig gekoppelte nichtlineare Modellbildung sehr zeitaufwendig. Komplexe Partialmodelle aus der numerischen Festkörpermechanik und aus der numerischen Strömungsmechanik stellen infolge der Anforderungen an Rechenkapazität in absehbarer Zeit keine gültigen Optionen dar, insbesondere da Echtzeitfähigkeit angestrebt wird. Deshalb sollen die Effizienz und die Robustheit des virtuellen Abbilds durch die Anwendung der reduzierten Partialmodelle, die aus den TP entstehen, gewährleistet werden.

Das Konzept der tiefgehenden Digitalisierung ist eine Digitalisierung, die von einem genauen Rechenmodell mit annähernder Echtzeitfähigkeit angetrieben wird, was als eine Hauptanforderung interpretiert werden soll. In diesem Rahmen soll sich das übergeordnete Modell aus den Grundgesetzen der Mechanik ergeben, d. h. das Modell ist weder ein Metamodell noch ein nicht physikalisches Ersatzmodell. Gemäß einer übergreifenden Vision sollen die Struktur einer OWEA (Blätter, Nabe und Gondel), entweder die durch Seile verankerte schwimmende Tragstruktur (Turm und Substruktur) oder die in den Meeresboden eingebrachte Tragstruktur sowie der Meeresboden, der Wind und die Wasserwellen und -strömungen als Elemente eines einzigen gekoppelten dynamischen Gesamtsystems betrachtet werden. Dieses Modell wird von nun an als Digitaler Zwilling bezeichnet und das betrachtete physikalische System OWEA wird entsprechend Realer Zwilling genannt. Der Digitale Zwilling kann sowohl für den Betrieb einer vorhandenen Offshore-Megastruktur als auch für den Entwurf einer noch nicht existierenden Offshore-Megastruktur eingesetzt werden. Um den Informationsaustausch zwischen den Zwillingen zu ermöglichen, ist daher eine übergreifende Schnittstelle von neuralgischer Wichtigkeit. In diesem Zusammenhang soll die zeitliche Entwicklung bedeutsamer strukturmechanischer Parameter, die das Verhalten einiger bedeutender Eigenschaften beschreiben (z. B. die Degradation der Material- oder Struktureigenschaften aufgrund von nicht reversiblen Veränderungen bzw. dauerhaften Verformungen), durch die Informationserfassung am Realen Zwilling aktualisiert werden. Dies dient nicht nur zu Validierungszwecken, sondern auch zur Auswertung und Identifikation von Eigenschaften der Megastruktur, die den tatsächlichen Zustand des Realen Zwillings beschreiben. Es wird damit angestrebt, ein neues Paradigma im Bereich des Tragwerksentwurfs und der Betriebsplanung von Offshore-Megastrukturen am Beispiel einer OWEA zu etablieren, indem solide Grundlagen und deren systematische Umsetzung als einheitlicher Ansatz geschaffen werden sollen. Mit Hilfe des neuartigen Digitalen Zwillings wird das Konzept der tiefgehenden Digitalisierung erstmalig in die Windenergie-Branche eingeführt, ist jedoch auch auf andere moderne hochdynamisch belastete Megastrukturen übertragbar. Damit soll ermöglicht werden, die Stärken des modernen Digitalisierungsparadigmas und die neuesten Methoden im Bereich der Strukturmechanik, des Tragwerksentwurfs und der Betriebsführung synergetisch zusammenzubringen. Die daraus resultierende, neuartige Kombination wird eine neue Dimen- sion auf dem Gebiet der digitalisierten Offshore-Megastrukturen eröffnen.

Die TP erstellen komplexe Partialmodelle für einzelne Komponenten der OWEA oder Einwirkungen auf die OWEA und müssen diese entsprechend reduzieren, sodass sie zu einem echtzeitfähigen, reduzierten Gesamtmodell zusammengefügt werden können. Durch die Reduktion eines komplexen Partialmodells auf ein reduziertes Partialmodell werden die Berechnungen deutlich beschleunigt sowie die Anforderungen an eine hohe Recheneffizienz erfüllt. Falls Messdaten vorhanden sind, können diese benutzt werden, um sowohl die komplexen Partialmodelle als auch das gekoppelte Gesamtmodell anzupassen. In enger Zusammenarbeit mit TP B05 wird die hocheffiziente Umsetzung der zugrundeliegenden Numerik thematisiert, insbesondere die strukturerhaltende Modellreduktion im Rahmen der Strukturmechanik und Algorithmen zur effizienten Lösung der Systemmatrizen in Sattelpunktform im Rahmen der Mehrkörpersysteme (MKS), der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der strukturerhaltenden Zeitintegration. Das entwickelte Gesamtmodell ist der Digitale Zwilling, der mit innovativen Methoden zur robusten Modellanpassung innerhalb von TP C04 in periodischen Abständen mit Hilfe von generischen oder realen Messdaten angepasst werden soll. Das Gesamtmodell mit zeitabhängiger Parametrisierung kann von den TP dazu genutzt werden, die komplexen Partialmodelle durch die genauere Abbildung von Beanspruchungen und Randbedingungen zu verbessern oder an das Langzeitverhalten der Gesamtstruktur anzupassen.

  Die meisten TP-Partner werden den Digitalen Zwilling hauptsächlich zur Berechnung von Lastfällen anwenden, z. B. TP A02 (Aeroelastik), TP B02 (neue Betriebskonzepte für Rotorblätter) und TP C02 (Strukturüberwachung), aber einige TP-Partner werden es auch als Entwicklungsplattform für die reduzierten Partialmodelle bzw. für das Gesamtmodell benutzen, z. B. TP B03 (Balkenstoffgesetz in Abhängigkeit von Querschnittsverformungen) und TP B05 (strukturerhaltende Modellreduktion). Das vorliegende Zentralprojekt ist dem Cluster Gekoppeltes Gesamtsystem zugeordnet.  

Abb. 1: Übersicht der Interaktion des Zentralprojekts Z01 mit anderen Teilprojekten
Abb. 2: Einbindung der Partialmodelle in den Digitalen Zwilling

Publikationen


Teilprojektleitung

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Daniel Schuster, M.Sc.
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