Z1 – Vollständig gekoppelter mid-fidelity digitaler Zwilling einer Megastruktur

Das zentrale Projekt Z01 entwickelt den Digitalen Zwilling (DZ) einer Offshore-Megastruktur, definiert als echtzeitfähige, adaptive Repräsentation einer Offshore-Megastruktur, die alle relevanten Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) berücksichtigt und das Herzstück des SFB 1463 bildet.

Die Entwicklung des DZ bedeutet, dass Z01 erstens ein aero-hydro-servo-elastisches Simulationsframework entwickelt und zweitens die von anderen Teilprojekten erstellten reduzierten Teilmodelle integriert, um megastrukturspezifische komplexe Phänomene abzudecken, die nicht im grundlegenden Simulationsframework enthalten sind. Diese enge Zusammenarbeit mit allen Teilprojekten (TP) durch die Entwicklung von Schnittstellen für die Teilmodelle sowie die multiphysikalische Natur des Simulationsframeworks bestimmen die zentrale Position von Z01 im SFB.

Der DZ ist ein wesentlicher Bestandteil der integrierten Entwurfs- und Betriebsmethodologie für Offshore-Megastrukturen. Dies ergibt sich aus der Forschungshypothese, dass Offshore-Megastrukturen nichtlinearen dynamischen Interaktionen unterliegen, die nicht vernachlässigt werden können, und somit neue Methoden mittlerer Genauigkeit anstelle der Hochskalierung bestehender Konstruktionen erforderlich sind. Die übergeordneten Ziele der Entwicklung einer integrierten Entwurfs- und Betriebsmethodologie unter Verwendung des DZ waren die Motivation in der ersten Förderperiode und bleiben dies auch in der zweiten Förderperiode.

In der ersten Förderperiode wurde eine bestehende eigene Software als Grundlage für die Entwicklung eines gekoppelten aero-servo-elastischen Simulationsframeworks verwendet. Besonders große Fortschritte wurden im Bereich der stark gekoppelten FSI erzielt. Es wurde auch intensiv an der Berechnung aerodynamischer Lasten mit der Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM) gearbeitet. Hier konnte die zuverlässige Anwendbarkeit auf Windkraftanlagen sichergestellt werden. Das Strukturmodell wurde um ein Mehrzweck-Knoten-zu-Knoten-Koppelungselement erweitert. Außerdem wurde ein SFB-weites Datenaustauschformat für Windkraftsimulationen in intensiver Zusammenarbeit mit den beteiligten TPs festgelegt und implementiert. Phänomene, die für Offshore-Megastrukturen relevant, aber zu komplex sind, um sie im Gesamtmodell des DZ zu berücksichtigen, das auf Echtzeitfähigkeit abzielt, werden von mehreren speziellen Teilprojekten im Detail untersucht. Basierend auf deren Untersuchungen entwickeln diese TPs reduzierte Modelle, die in den DZ integriert werden, um megastrukturspezifische Phänomene ohne Beeinträchtigung der Rechenleistung in Form von Teilmodellen darzustellen. Sie werden durch die gemeinsame Schnittstellenentwicklung von Z01 und dem jeweiligen Teilprojekt in den DZ integriert. Repräsentative Beispiele sind die standardisierte Controller-Schnittstelle und die Nutzung räumlich und zeitlich aufgelöster Windfelder, ebenfalls über ein standardisiertes Datenformat.

In der zweiten Förderperiode wird das Simulationsframework kontinuierlich erweitert und optimiert. Die Entwicklungen zielen darauf ab, die Recheneffizienz des DZ zu erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird der Programmcode umfangreich optimiert, und neue Methoden werden implementiert, um die Berechnungsgeschwindigkeit aerodynamischer Lasten zu verbessern, wie die Fast Multipole Method zur beschleunigten Berechnung der Nachläufe. Außerdem wird die Zeitintegrationsmethode weiterentwickelt, um die Robustheit zu erhöhen sowie den Rechenaufwand zu reduzieren. Die zweite Hauptentwicklung des DZ in der zweiten Förderperiode wird die Erweiterung in Richtung Offshore mit schwimmenden Windkraftanlagen sein: Durch die Kombination der bekannten Morison-Gleichung mit einer Panelsource-Methode im Zeitbereich können die hydrodynamischen Lasten sowohl auf großen als auch auf kleinen Körpern berechnet werden. Um die Gesamtdynamik schwimmender Turbinen genau zu beschreiben, wird ein neues Seilmodell entwickelt, das mit dem aktuellen Strukturmodul konsistent ist. Zusätzlich werden wichtige physikalische Interaktionen durch neue Teilmodelle integriert, z.B. Bodendämpfung oder dynamischer Stall. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der umfassenden Verifikation und Validierung. Verifikations- und Validierungsprozesse dienen nicht nur dazu, Verbesserungsbedarf der Modelle zu identifizieren, sondern auch, um sie hinsichtlich ihres Einflusses auf das Verhalten der Struktur zu bewerten. Letztlich soll eine Gesamtbewertung der ausgewählten Methoden mittlerer Genauigkeit möglich sein, zusammen mit einer Bewertung der Bedeutung der Interaktionen zwischen den Teilmodellen. Dies wird es ermöglichen, die Gültigkeit unserer Forschungshypothese zu überprüfen.