C4 – Robuste Modellanpassung Digitaler Zwillinge unter Berücksichtigung unscharfer Eingangsgrößen

Das dynamische Verhalten einer Windenergieanlage (WEA) im Bereich > 20 MW ist durch verschiedene nichtlineare Effekte geprägt. Um das dynamische Verhalten bereits während der Auslegung vorherzusagen, werden aussagekräftige Simulationsmodelle benötigt.

Es ist allerdings davon auszugehen, dass Simulationsergebnisse bezüglich der Anlagendynamik, die während der Auslegung berechnet wurden, und Ergebnisse von Messungen der Dynamik der WEA, die während des späteren Betriebs durchgeführt werden, voneinander abweichen. Gründe für diese Diskrepanz können beispielsweise Ungenauigkeiten im Modell (z. B. Vernachlässigung von Fertigungstoleranzen), Veränderungen der realen Struktur über die Zeit (z. B. Korrosion) oder veränderter Umgebungsbedingungen sein (z. B. Kolkbildung).

Um diese Abweichungen zu minimieren, kann das numerische Strukturmodell nachträglich mit Hilfe von Modellanpassungsverfahren an die Messdaten angepasst werden. Ziel einer Modellanpassung kann somit erstens die Verbesserung der Qualität des initialen Simulationsmodells sein. Zweitens ist so eine Anpassung an Langzeitveränderungen der Struktur und der Randbedingungen über die Lebensdauer möglich. Und drittens kann die Modellanpassung zur Schadenslokalisation und -quantifikation genutzt werden. Insbesondere die letzten beiden Punkte werden benötigt, um aus einem klassischen Simulationsmodell einen digitalen Zwilling zu machen.

In diesem Teilprojekt werden Modellanpassungsverfahren erforscht mit denen diese drei Ziele umgesetzt werden können. Die Verfahren werden an zwei unterschiedlichen Teststrukturen validiert. Zunächst mit Hilfe einer Balkenstruktur, welche unter Laborbedingungen getestet wird (Abbildung 1) und anschließend an einer Gittermaststruktur, die auf einem Feld steht und echten Umwelteinflüssen ausgesetzt ist (Abbildung 2).

Beide Strukturen verfügen über reversible Schädigungsmöglichkeiten. Somit kann die Struktur gezielt geschädigt und wieder repariert werden und die Modellanpassungsverfahren lassen sich testen und validieren. Im letzten Schritt werden die Verfahren auf den Digitalen Zwilling einer Offshore-Megastruktur angewendet, wo Schäden in dem Simulationsmodell eingebracht werden.

Die wissenschaftlichen Neuerungen dieses Teilbereichs liegen darin, dass Modellanpassungsverfahren untersucht werden, welche die in der Messung und Simulation vorliegende Unschärfe berücksichtigen. Außerdem werden die Verfahren sowohl in Bezug auf die Robustheit und auf die Genauigkeit der Modellanpassung optimiert. Das Forschungsziel des Teilprojekts ist somit die Erforschung von robusten Modellanpassungsverfahren für den Digitalen Zwilling einer zukünftigen WEA, die auf globaler Mehrzieloptimierung basieren.