Architektur applikationsspezifischer Multi-Physics-Simulationskonfiguratoren am Beispiel modularer Triebzüge

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10824_Meinel_Dissertation_OPUS.pdf (10.76 MB)
Diss. Reihe Maschinenbau, Band 320

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-04-16
Issue Year
2019
Authors
Meinel, David
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-185-0
Abstract

The development of highly digitized products and systems challenges manufacturers to master increasing technical complexity. Alongside development, Digital Twins can provide aid in the verification process to ensure a flawless functionality - an approach, which is yet underrepresented. In order to evoke a change, holistic simulations under consideration of physical as well as control engineering mechanisms are essential, which can be achieved by using Multi-Physics models. This work presents an object-oriented Modelica-based model architecture to implement Digital Twins with the aforementioned functionality. The approach completes the missing model behavior and, moreover, features a modular, manifold configurability to address a function-driven development process that makes the product’s composition follow its functionality. In this way, the complex interactions of a system’s components with their exchangeable configuration is addressed in the field of analysis and verification in various stages of design, implementation and integration. The adoption of Digital Twins by means of common development tools can be realized through Functional Mock-Up interface (FMI), which enables the usage of Digital Twins for automated tests in a virtual environment, as well as the integration of existing models and their components into the Digital Twin. The method was validated using the example of high-velocity railway systems, which are characterized by their mixture of complex control systems, distributed traction motors and braking systems. Today, the system’s complexity is prone to cause impermissible driving anomalies, such as longitudinal oscillations of the compartments. Applying the proposed Digital Twins to the virtual development process of trains, these incompatibilities and their resulting malfunctions can be revealed and thus avoided before the product development process is completed.

Abstract

Die Entwicklung hochgradig digitalisierter Produkte und Anlagen stellt Hersteller vor die Herausforderung, die steigende technische Komplexität zu beherrschen. Dabei helfen Digitale Zwillinge. Die entwicklungsbegleitende Verifizierung, deren Aufgabe die Sicherstellung eines fehlerfrei funktionierenden Produktes ist, ist darin bislang unterrepräsentiert. Um dies zu ändern, muss das physikalische und steuerungstechnische Verhalten ebenfalls berücksichtigt werden, wofür die Inklusion multiphysikalischer Simulationsmodelle nötig ist. In dieser Arbeit wird daher eine objektorientierte, Modelica-basierte Modellarchitektur zur Implementierung solcher Digitaler Zwillinge eingeführt. Diese bilden das bislang fehlende Modellverhalten ab und verfügen darüber hinaus über eine modulare, vielseitig konfigurierbare Struktur. Auf diese Weise kann das komplexe Wechselspiel der Systemkomponenten und verschiedener Systemkonfigurationen in den verschiedenen Entwurfs- und Integrationsphasen der Entwicklung virtuell analysiert und abgesichert werden. Eine Methodik zur Integration der offen zugänglichen Modellschnittstelle Functional Mock-Up Interface (FMI) ermöglicht die Adaption der Digitalen Zwillinge durch Entwicklungswerkzeuge. Dadurch lassen sich die Digitalen Zwillinge einerseits für effektive Testautomatisierung nutzen. Andererseits sind etablierte Teilmodelle in das Systemmodell integrierbar. Die Methodik wird anhand von Schnellzügen validiert, die sich durch das Wechselspiel eines komplexen Steuerungssystems, verteilter Traktion und Bremsen charakterisieren. Die Systemkomplexität verursacht unbeabsichtigte fahrdynamische Effekte, die zukünftig in Simulationen bereits während der Entwicklung erkannt und beseitigt werden können.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
320
Citation
mb.fau.de/diss
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-184-3
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