Maschinenbauliche Simulationsmodelle zur Projektierung, Konstruktion und funktionellen Sicherheitsbewertung (Forschungsvorhaben WIPS, TP D 4.1)

Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben 03SX133B, Teilprojekt D 4.1, "Maschinenbauliche Simulationsmodelle zur Projektierung, Konstruktion und funktionellen Sicherheitsbewertung"In dem Teilprojekt WIPS D4.1 "Maschinenbauliche Simulationsmodelle zur Projektierung, Konstruktion und funktionellen Sicherheitsbewertung", werden Werkzeuge für die Modellierung von schiffstechnischen Anlagen vorgestellt und anhand ihrer Eigenschaften beurteilt. Als Grundlage für wissenschaftliche Untersuchungen in Forschung und Entwicklung wird die Simulationsumgebung MATLAB/SIMULINK empfohlen. Auf Grundlage einer Voruntersuchung zur Beschreibung einer schiffstypischen Vortriebsanlage wird die Datenmenge ermittelt, die notwendig ist um die betrachtete Vortriebsanlage zu simulieren. Dabei werden Systeme betrachtet, die unmittelbar mit der Vortriebsanlage zusammenhängen. Aus dieser Voruntersuchung wird deutlich, dass es bei dynamischen Modellen sinnvoll ist geeignete Ordnungsreduktionen durchzuführen, die nur die wesentlichen dynamischen Zusammenhänge beschreiben. Aus Sicht der Fragestellung muss zwischen Kurz-, Mittel- und Langzeitsimulation unterschieden werden. Durch Verwendung von stationären und quasistationären Modellen ergibt sich eine Verringerung der Anzahl der benötigten Parameter. Werden die stationären Modelle weiterhin noch in unterschiedlichen Modellierungstiefen dargestellt, so ergibt sich eine weitere Reduktion der benötigten Parameter.Eine strukturelle Analyse anhand eines Kühlkreislaufmodells in unterschiedlicher Darstellungsweise ergibt, dass es zweckdienlich ist die Schnittstellen zur den benachbarten Randsystemen realitätsnah abzubilden. Die Schnittstellen sind möglichst auf Basis von physikalischen Zustandsgrößen zu beschreiben. Der übertragbare Informationsgehalt erhöht sich somit gegenüber einer vereinfachten Schnittstellenbeschreibung. Die mathematischen Modelle können dann mit Hilfe von binären Strukturmatrizen als Grundlage für Zuverlässigkeits- bzw. Sicherheitsanalysen dienen. Durch Empfindlichkeitsfunktion lassen sich die Kanten der binären Strukturmatrizen gewichten, so dass der Einfluss der Eingangsgrößen auf die Ausgangsgrößen untersucht werden kann. Aus den vorangegangenen Ergebnissen dienen zwei Modellierungstiefen zur Beschreibung von Komponenten und Teilsystemen. Mittels so genannter "Black box" Modelle werden Teilsysteme beschrieben. Sie beschreiben das grundsätzliche Übertragungsverhalten eines Teilsystems. Die innere Struktur des betrachteten Teilsystems ist dabei unbekannt. Weiterhin ist die benötigte Anzahl der Parameter reduziert. Eine weitere Modellierungstiefe dient zur Beschreibung einzelner Komponenten innerhalb eines Teilsystems. Die "Komponenten" Modelle ermöglichen eine genauere Abbildung des betrachteten Systems.Die entwickelten Modelle werden in einem Ship Engineering Toolset, das als Bibliothek dient, abgelegt. Das Toolset dient dem Arbeitsbereich Elektrische Energiesysteme und Automation als Basis für studentische Arbeiten und des Weiteren für Aufgaben in Forschung und Lehre.Zur Überprüfung der Teilsystem- und Komponentenmodelle werden Testsimulationen durchgeführt. Durch die Verkopplung der einzelnen Teilsysteme und der reinen stationären Abbildung der schiffstechnischen Anlage entstehen algebraische Schleifen, die alle numerisch stabil einschwingen. Die im Rahmen des Teilprojektes entstandenen Modelle decken zum jetzigen Zeitpunkt einen Teilbereich der wesentlichen Systeme einer schiffstechnischen Anlage ab. Dennoch sind längst nicht alle vorkommenden schiffstechnischen Systeme modelliert. Hier besteht noch Entwicklungsbedarf. Weiterhin ist es wünschenswert auch dynamische Zustände zur erfassen. Die dynamischen Modelle sollen aber nur die wesentlichen und dominanten Zustände abbilden. Hierzu sind Modelle zu erstellen, die in ihrer Ordnung reduziert sind. Unter Verwendung von adaptiven Modellen sind unterschiedliche Modellierungstiefen auch unter dynamischen Gesichtspunkten möglich. Die Entwicklung von so genannten Kurz-, Mittel- und Langzeitmodellen für schiffstechnische Anlagen ist anzustreben.