B5 – Effiziente Simulation und Modellreduktion für Offshore-Windenergieanlagen

Trotz stetig steigender Rechenleistung und Speicherkapazität von (Super-)Computern sind Simulationen großer mechanischer Strukturen relativ aufwändig und benötigen viele Ressourcen. Das zentrale Ziel des Sonderforschungsbereiches ist eine annähernd echtzeitfähige dynamische Simulation von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) mit dem Digitalen Zwilling. Hierfür entwickeln wir mathematische Methoden, welche die mechanische Struktur der OWEA ausnutzen, um die benötigten Rechenschritte und den benötigten Speicher möglichst gering zu halten. Unsere Arbeitshypothese ist:

Aufeinander abgestimmte mathematische Ansätze und numerische Techniken aus den Gebieten Mehrkörpersimulation, Optimierung, Sattelpunktsysteme, Newton-Verfahren und Modellreduktion werden wesentlich dazu beitragen die erforderliche numerische Effizienz und Robustheit im Digitalen Zwilling zu erreichen.

Kernstück des Modells ist die mechanische Megastruktur, die mit der Umwelt in Wechselwirkung steht (Boden, Wind, Wellen). Aufgrund des immensen Simulationsaufwands müssen sowohl die flexiblen Komponenten der mechanischen Megastruktur wie auch die Einwirkungen der Umwelt durch reduzierte bzw. vereinfachte Modelle abgebildet werden. Diese werden anschließend zum Digitalen Zwilling integriert. Das entstehende Modell muss trotz Kombination unabhängig voneinander vereinfachter Partialmodelle die wesentlichen physikalischen Eigenschaften der OWEA qualitativ korrekt und mit hinreichender Genauigkeit abbilden, um praktisch verwertbare Simulationsergebnisse zu erhalten. Zusätzlich muss das numerische Simulationsverfahren robust und hocheffizient sein.

Die wesentliche wissenschaftliche Innovation von TP B05 besteht einerseits in der analytischen und numerischen Erforschung der linearen Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis - PCA) und der nichtlinearen Hauptgeodätenanalyse (principal geodesic analysis - PGA) bezüglich der Strukturerhaltung für flexible mechanische Mehrkörpersysteme sowie der anschließenden Kopplung mit den reduzierten Partialmodellen für Wind und Wellen, andererseits in der Entwicklung aufeinander abgestimmter linearer und nichtlinearer Lösungsalgorithmen für den impliziten Zeitschritt auf Basis der analytischen und algebraischen Struktur der Gleichungssysteme. TP B05 steht im engen Austausch mit dem Zentralprojekt (TP Z01), um die strukturspezifischen Algorithmen in den Digitalen Zwilling zu integrieren und somit die Echtzeitfähigkeit zu garantieren. Außerdem stehen wir dem Zentralprojekt in beratender Funktion bezüglich der zugrundeliegenden Numerik zur Verfügung.