Zur effizienten Kopplung von Simulationsprogrammen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit gekoppelter Simulation, das heißt, mit der Kopplung von Simulationsprogrammen anhand effizienter Schnittstellen. Aus methodischer Sicht reduziert sich die Kopplung der Simulationsprogramme auf das Zusammenwirken der zugrundeliegenden numerischen Integratoren. Verschiedene Ansätze zur gekoppelten Zeitintegration wurden in der Literatur vorgestellt. Diese Ansätze variieren unter anderem in ihrem Stabilitätsverhalten, im numerischen Fehler und in ihrer technischen Umsetzung. In dieser Dissertation werden die numerische Stabilität und der numerische Fehler klassischer expliziter und impliziter Kopplungsverfahren untersucht. Die Analysen werden anhand eines Testproblems mit zwei Freiheitsgraden durchgeführt. Es wird insbesondere der Einfluss der Systempameter, der Systemzerlegung und der Makroschrittweite auf die Kopplung untersucht. Auch alternative Techniken zur Approximation der Koppelgößen (Hermite- anstelle von Lagrange-Polynomen) werden in die Untersuchung einbezogen. Die verschiedenen Analysen werden verwendet, um eine automatische Steuerung der Makroschrittweite zu implementieren. Diese Steuerung sowie die zugrundeliegende Fehlerschätzung haben einen expliziten Charakter und sind damit besonders für die Kopplung proprietärer Simulationsprogramme geeignet. Anhand verschiedener Konvergenzstudien werden die Genauigkeit und die Robustheit des expliziten Steuerungsansatzes untersucht. Die Simulationsergebnisse werden mit entsprechenden Ergebnissen klassischer Schrittweitenschätzer verglichen.

Des Weiteren wird in der vorliegenden Arbeit eine Schnittstelle zwischen dem proprietären Mehrkörperprogramm SIMPACK und dem Finite-Elemente-Programm COMSOL vorgestellt. Es wird gezeigt, dass klassische Kopplungsverfahren in Kombination mit solchen MKS/FEM-Kopplungen zu hohem Aufwand führen und praktisch versagen können. Aus diesem Grund wird ein semi-implizites Kopplungsverfahren vorgestellt, welches die gekoppelte Simulation einerseits stabilisiert und andererseits eine signifikante Reduktion der FEM-Berechnungen ermöglicht. Dadurch kann die Rechenzeit für die MKS/FEM-Simulation deutlich verringert werden. Verschiedene Aufwands- und Konvergenzstudien werden anhand eines nichtlinearen Abgasturboladermodells durchgeführt. Mittels verschiedener Hochlaufsimulationen des Rotors wird die Schnittstelle validiert.