Architektur applikationsspezifischer Multi-Physics-Simulationskonfiguratoren am Beispiel modularer Triebzüge

An architecture for specific Multi-Physics simulation configurators using the example of modular train systems

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-108248
  • 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 dasDie 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.show moreshow less
  • 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,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.show moreshow less

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Metadaten
Author:David Meinel
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-108248
Persistent identifiers - DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-185-0
ISBN:978-3-96147-185-0
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (320)
Publisher:FAU University Press
Place:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Jörg Franke, Kristin Paetzold
Advisor:Jörg Franke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2019
Date of online publication (Embargo Date):2019/04/15
Publishing Institution:FAU University Press
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2018/10/02
Release Date:2019/04/16
Tag:Architektur; Digitaler Zwilling; FMI; Functional Mock-Up Interface; Hardware-in-the-Loop; HiL; Komplexität; Längsschwingungen; Modelica; Modell; Multi-Physics; Simulation; System; Testautomatisierung; Triebzug; XiL; konfigurierbar; mechatronisch; multiphysikalisch; objektorientiert
SWD-Keyword:Kontinuierliche Simulation; Computersimulation; Semantische Modellierung; Objektorientierte Programmiersprache; Softwareschnittstelle; Koppelschwingung; Steuerungssystem; Funktionstest; Echtzeitsimulation; HiL-System; MBSE; Mechatronik; Ingenieurwissenschaften; Maschinenbau; Produktionstechnik
Length/size:xii, 166 Seiten
Notes:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-184-3
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International
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