EP4007965A1 - Computergestütztes verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer digitalen repräsentation eines technischen gebildes und entsprechendes computerprogrammprodukt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren (1) und eine Vorrichtung (CI) zum Erzeugen einer digitalen Repräsentation (17) eines technischen Gebildes, insbesondere eines Elektromotors sowie ein entsprechendes Computerprogramm produkt (1,C2). Bei dem Verfahren (1) werden auf digitalen Geometriedaten von Komponenten (2,18,19,20,21,22) basierende domänenspezifische Modelle bereitgestellt. Ausgehend davon wird eine Modellordnungsreduktion durchgeführt, wobei die domänenspezifischen Modelle in Modalkoordinaten überführt werden und damit ein spektrales Verhalten der Komponenten (2, 18,19,20,21,22) mittels einer jeweiligen Modalanalyse bestimmt wird. Darauf basierend werden entsprechende Zustandsraumdarstellungen als ordnungsreduzierte Spektralmodelle erzeugt. Für eine Simulation des technischen Gebildes insgesamt werden die Spektralmodelle miteinander zu der digitalen Repräsentation (17), die das Verhalten des technischen Gebildes domänenübergreifend beschreibt, für eine Simulation gekoppelt.

Description

Beschreibung

Computergestütztes Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen ei ner digitalen Repräsentation eines technischen Gebildes und entsprechendes Computerprogrammprodukt

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer digitalen Repräsentation eines technischen Gebildes sowie ein entsprechendes Computer programmprodukt .

In der modernen Produktentwicklung kommen bereits heute viel fach computerunterstützte Methoden, wie beispielsweise eine genaue Bauteilmodellierung auf Basis finiter Elemente und weitere unter CAE (englisch: Computer-aided Engineering; com puterunterstütztes Entwickeln) zusammengefasste Methoden zum Einsatz. Darauf basierende Analysen können präzise Einblicke in Eigenschaften des jeweiligen modellierten Bauteils bieten und damit die Entwicklung beschleunigen. Nachteilig ist je doch, dass entsprechende Daten oftmals nicht allgemein zu gänglich und verständlich sind und beispielsweise FE- Spezialisten (FE: finite Elemente) Vorbehalten sind. Zudem können mit heutzutage und auf absehbare Zeit praktikabel ver fügbarer Berechnungshardware komplexe Systeme nicht in einer vertretbaren Zeit vollständig modelliert und simuliert wer den, da hiermit zu viel Rechenaufwand und Komplexität verbun den ist.

Dementsprechend beschränkt man sich bisher oftmals auf eine separate Modellierung von Einzelkomponenten und/oder ersetzt komplexe Systeme oder Strukturen durch radikal vereinfachte Repräsentation, die nur sehr grob approximiert rudimentäre Aussagen und Ergebnisse liefern können. So kann für einen Elektromotor beispielsweise eine an sich komplexe Strukturdy namik eines Motorgehäuses reduziert werden auf zwei Massen und zwei Federn als vereinfachtes Ausgangsmodell für eine Ro tordynamik oder ein Schwingungsverhalten eines Läufers kann als vereinfachte Grundlage für eine elektrische Berechnung grob approximiert werden, indem lediglich das Läufer-Massen trägheitsmoment betrachtet wird.

Mit keinem der bisherigen Ansätze können also auf praktikable Weise rechnergestützt detaillierte und verlässliche Aussagen und Erkenntnisse zu komplexen Strukturen oder Systemen, die aus mehreren miteinander interagierenden oder in Kontakt ste henden Komponenten aufgebaut sind, gewonnen werden. Genau dies wäre aber zukünftig für eine weiter verbesserte und di gitalisierte Produktentwicklung von Interesse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Möglichkeit zur digitalen Handhabung eines technischen Gebil des anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Be schreibung und in den Figuren angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Erzeugen einer di gitalen Repräsentation, also eines digitalen Modells oder di gitalen Zwillings, eines vorgegebenen technischen Gebildes. Ein technisches Gebilde im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein Gerät, eine Maschine, ein Apparat, ein System, eine Anlage oder dergleichen sein, insbesondere aus mehreren Komponenten oder Bauteilen zusammengesetzt. Ein Beispiel für ein derartiges technisches Gebilde kann etwa ein Hochvolt-Elektromotor (HV-Motor) sein. Letztlich kann das er findungsgemäße Verfahren aber für nahezu beliebige digital, also rechnergestützt darstellbare oder modellierbare Struktu ren erfolgreich angewendet werden.

In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auf digitalen 3D-Geometriedaten vorgegebener Komponen ten des technischen Gebildes basierende domänenspezifische Modelle dieser Komponenten bereitgestellt oder erfasst. Die 3D-Geometriedaten geben einen Aufbau oder eine Struktur der jeweiligen Komponente an. Dazu können insbesondere kartesi- sehe Koordinaten aber ebenso etwa Zylinderkoordinaten, Kugel koordinaten oder dergleichen verwendet werden. Diese Koordi naten, in denen die 3D-Geometriedaten beziehungsweise die do- mänenspezifischen Modelle bereitgestellt werden oder vorlie gen, werden hier als ursprüngliche Koordinaten bezeichnet.

Mit anderen Worten kann die Geometrie der jeweiligen Kompo nente also durch die 3D-Geometriedaten in den ursprünglichen, insbesondere kartesischen, Koordinaten beschrieben sein. Die 3D-Geometriedaten können beispielsweise in Form eines CAD- Datensatzes (CAD: Computer-aided Design), als FE-Modell oder dergleichen vorliegen. Im - die vorliegende Erfindung nicht hierauf einschränkenden - Beispiel eines Elektromotors können die Komponenten beispielsweise dessen Gehäuse, Rotor, Stator, Kühleinrichtung, elektrisches Aktivteil und dergleichen mehr sein.

Domänenspezifische Modelle sind hier Modelle, die jeweils zu mindest primär Eigenschaften oder ein Verhalten der jeweili gen Komponente in jeweils einer physikalisch-technischen Do mäne modellieren oder beschreiben. Derartige Domänen können beispielsweise die (klassische) Mechanik, die Elektrik oder Elektrodynamik, die Thermik oder Thermodynamik und derglei chen mehr sein, also jeweils einen Teilbereich oder ein Fach gebiet der Physik oder Technik betreffen oder umfassen. Ent sprechende domänenspezifische Modelle können eine deutlich geringere Komplexität aufweisen als ein vollständiges Modell, das versucht, die jeweilige Komponente in allen Domänen oder Aspekten vollständig zu modellieren oder zu beschreiben. Da mit sind die domänenspezifischen Modelle vorteilhaft mit ent sprechend geringerem Aufwand erzeugbar und handhabbar.

Das Bereitstellen oder Erfassen der domänenspezifischen Mo delle kann deren, beispielsweise computerunterstütztes oder teilautomatisiertes, Erzeugen und/oder deren Laden oder Abru fen aus einem bereitgestellten Datenspeicher oder einer Bib liothek entsprechender Modelle von Komponenten bedeuten oder umfassen . In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ausgehend von den domänenspezifischen Model len eine Modellordnungsreduktion durchgeführt. Damit wird al so eine Ordnung oder Komplexität und somit ein zum Durchrech nen oder digitalen Handhaben der Modelle notwendiger Berech nungsaufwand verringert. Dazu werden die domänenspezifischen Modelle zumindest teilweise von ihren ursprünglichen, insbe sondere kartesischen, Koordinaten in Modalkoordinaten über führt oder transformiert. Diese Modalkoordinaten sind hier ein Satz von Minimalkoordinaten, wodurch vorteilhaft eine be sonders effiziente und aufwandsarme Berechnung oder Simulati on ermöglicht werden kann.

Mit diesen Modalkoordinaten wird ein spektrales Verhalten der Komponenten mittels einer jeweiligen Modalanalyse bestimmt. Durch die Modalanalyse erfolgt hier mit anderen Worten also eine numerische Charakterisierung einer Dynamik der Komponen ten, wobei diese als schwingungsfähige Systeme aufgefasst werden und/oder den Komponenten eine Abklingzeit oder eine Zeitkonstante als Basis für die Modalanalyse zugeordnet wird. Die Dynamik beziehungsweise das spektrales Verhalten der Kom ponenten kann beispielsweise durch im Rahmen der jeweiligen Modalanalyse bestimmte modale Parameter, Eigenfrequenzen, Ei genformen oder Eigenschwingungsformen, eine modale Masse, ge gebenenfalls eine modale Dämpfung und/oder dergleichen mehr charakterisiert oder beschrieben sein.

Darauf basierend werden dann für die Komponenten Zustands raumdarstellungen (ZRD) als ordnungsreduzierte Spektralmodel le der Komponenten erzeugt. Mit anderen Worten werden die Komponenten beziehungsweise deren Verhalten oder Eigenschaf ten durch die Spektralmodelle in der jeweiligen Zustandsraum darstellung beschrieben oder charakterisiert. Die Modellord nungsreduktion im Vergleich zu den ursprünglichen domänenspe zifischen Modellen oder entsprechenden FE-Modellen der ein zelnen Komponenten kann sich hier bereits dadurch ergeben, dass nur noch Moden, also jeweilige Schwingungszustände, der Komponenten insgesamt und nicht mehr individuelle Bewegungen oder Verhalten aller Teile oder Bereiche der jeweiligen Kom ponente für alle drei kartesischen Raumrichtungen berechnet oder modelliert werden. Die Spektralmodelle können also die Dynamik oder das Schwingungsverhalten der Komponenten auf einfachere oder kompaktere Weise beschreiben als die domänen spezifischen Modelle oder vollständige FE-Modelle der Kompo nenten.

In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für eine Simulation des technischen Gebil des insgesamt die Spektralmodelle der Komponenten miteinander zu der digitalen Repräsentation, die das Verhalten des tech nischen Gebildes domänenübergreifend beschreibt, gekoppelt oder verbunden. Mit anderen Worten kann also die digitale Re präsentation des technischen Gebildes - analog zum Zusammen bau eines entsprechenden realen technischen Gebildes aus ein zelnen Bauteilen - durch Koppeln der Spektralmodelle für die einzelnen Komponenten erzeugt werden. Da die Spektralmodelle auf domänenspezifischen Modellen, die insbesondere die Kompo nenten in unterschiedlichen Domänen beschreiben können, auf bauen, ergibt sich eine Charakterisierung, Beschreibung oder Modellierung des gesamten technischen Gebildes in entspre chend unterschiedlichen Domänen. Dabei kann jeweils eine Kom ponente durch ein Spektralmodell beschrieben werden oder es können Eigenschaften oder ein Verhalten einer Komponente in unterschiedlichen Domänen durch mehrere Spektralmodelle für diese Komponente beschrieben werden.

Durch das Koppeln der einzelnen Spektralmodelle miteinander können dabei vorteilhaft Interaktionen zwischen den Komponen ten, insbesondere über unterschiedliche Domänen hinweg, mo delliert oder simuliert werden und dementsprechend Erkennt nisse zum Verhalten oder zu Eigenschaften des gesamten tech nischen Gebildes gewonnen werden, die aus den bisher typi scherweise individuell betrachteten domänenspezifischen oder FE-Modellen der einzelnen Komponenten nicht hervorgehen. Auf grund der Modellordnungsreduktion bleibt ein Berechnungsauf wand für die derartige Modellierung und Simulation des gesam- ten technischen Gebildes vorteilhaft auch mit heutzutage ver breitet verfügbarer Berechnungshardware praktikabel handhab bar. Zudem bietet das erfindungsgemäße Verfahren weitere Mög lichkeiten zur Beschleunigung und zur Reduzierung eines not wendigen Berechnungsaufwandes, die weiter unten näher erläu tert werden. Die vorliegende Erfindung kann mit dem reduzier ten notwendigen Berechnungsaufwand dennoch sehr viel detail liertere, genauere und verlässlichere Ergebnisse und Erkennt nisse zu dem Verhalten des gesamten technischen Gebildes lie fern als bisher durch die eingangs beschriebene sehr grobe Approximation der Komponenten durch wenige fundamentale idea lisierte Elemente gewonnen werden können. Damit ermöglicht es die vorliegende Erfindung beispielsweise, potentielle Proble me oder Schwachstellen im Design des technischen Gebildes rein digital und rechnergestützt mit verbesserter Genauigkeit und Zuverlässigkeit im Rahmen des Entwicklungs- oder Design prozesses zu erkennen und eine Auslegung der Komponenten bes ser an reale auftretende Belastungen anzupassen. Damit kann letztlich beispielsweise die Zuverlässigkeit realer techni scher Gebilde verbessert und gleichzeitig gegebenenfalls Ma terial eingespart werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels einer entspre chend eingerichteten Datenverarbeitungseinrichtung, bei spielsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Datenverar beitung, insbesondere automatisch oder teilautomatisch, durchgeführt werden. Als derartige Datenverarbeitungseinrich tung kann beispielsweise ein herkömmlicher Computer, eine herkömmliche Workstation, ein Großrechner oder dergleichen verwendet werden. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann also insbesondere einen Prozessor, einen Mikrochip, eine inte grierte Schaltung, eine Hardwareschaltung oder dergleichen zum Ausführen eines das Verfahren kodierenden oder repräsen tierenden Computerprogramms oder Programmcodes umfassen. Wei ter kann die Datenverarbeitungseinrichtung insbesondere einen damit verbundenen flüchtigen und/oder nicht-flüchtigen Daten speicher, eine oder mehrere Schnittstellen zum Empfangen und zum Ausgeben von Daten und/oder dergleichen mehr aufweisen. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann eine oder mehrere Tei leinrichtungen zum Ausführen der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweisen. Dies können bei spielsweise eine Erfassungs- oder Bereitstellungseinrichtung zum Erfassen oder Bereitstellen der domänenspezifischen Mo delle, eine Modellordnungsreduktionseinrichtung zum Durchfüh ren der Modellordnungsreduktion sowie der im Zusammenhang da mit beschriebenen Abläufe, und eine Kopplungseinrichtung zum Erzeugen der digitalen Repräsentation des technischen Gebil des durch Koppeln der Spektralmodelle miteinander sein. Eben so kann eine Simulationseinrichtung zum Simulieren des tech nischen Gebildes auf Basis der derart erzeugten digitalen Re präsentation vorgesehen sein. Diese Teileinrichtungen können entsprechende Hardwareschaltungen oder Hardwaremodule aber ebenso entsprechende Programmteile oder Programmmodule des genannten Computerprogramms, also beispielsweise eines Be triebsprogramms für die Datenverarbeitungseinrichtung, sein oder umfassen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in der jeweiligen Modalanalyse für die Komponenten je weils eine modal entkoppelte Massenmatrix M und Steifigkeits matrix K bestimmt. Im Allgemeinen Fall kann hier ebenso eine jeweilige Dämpfungsmatrix D bestimmt werden. Ausgehend von der Bewegungsgleichung für die jeweiligen Komponenten erfolgt dann eine Neu-Arrangierung via Zustandsraumdarstellung, also im Formalismus der Zustandsraumdarstellung. Die Bewegung- Differenzialgleichung - kurz als Bewegungsgleichung bezeich net - für eine Komponente mit einem Freiheitsgrad kann dabei repräsentiert sein als

M ·s+ D-s+ K-s= F wobei s den Positionsvektor und F eine äußere Kraft angeben. Für den Spezialfall der Modalanalyse kann F = 0 gelten oder gesetzt werden. Die entsprechende Zustandsraumdarstellung kann gegeben sein als d

— x = A x + B u und y C x + D u dt wobei t die Zeit, x den Ortsvektor, u den Eingangsvektor, y den Ausgangsvektor, A die Systemmatrix, B die Eingangsmatrix, C die Ausgangsmatrix und D die Durchgangsmatrix angeben. Die Matrizen der Zustandsraumdarstellung sind dabei in normaler Darstellungsform gegeben als und C = [f 0] .

Die Durchgangsmatrix D kann hier die Nullmatrix sein, also entfallen, wenn es sich bei dem technischen Gebilde oder der jeweiligen Komponente um ein mechanisches System handelt, da mechanische Systeme in Ort und Geschwindigkeit nicht sprung fähig sind. In vielen technischen Gebilden oder für viele Komponenten technischer Gebilde, beispielsweise Strukturbau teile eines Elektromotors, kann eine vernachlässigbare schwa che Dämpfung angenommen werden, sodass auch die Dämpfungs matrix D der Bewegungsgleichung entfallen kann. Durch Kombi nation und Neu-Arrangieren der Größen ergeben sich dann im Spezialfall vernachlässigbarer Dämpfung: q = und mit dem Zustandsvektor q und der Eigenformmatrix f. Die Moda lanalyse kann hier also als ungedämpfte Modalanalyse durchge führt werden, wodurch sich vorteilhaft eine vereinfachte Be rechnung und ein entsprechend geringerer Aufwand ergeben.

Mit dem hier vorgestellten Ansatz lässt sich das erfindungs gemäße Verfahren, also die Digitalisierung und Modellierung beziehungsweise Simulation technischer Gebilde besonders ef fektiv und mit praktikabel handhabbaren Berechnungsaufwand realisieren . In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Er findung wird die jeweilige Modalanalyse nur für einen vorge gebenen unteren Frequenzbereich und/oder nur für eine vorge gebene Anzahl der energiereichsten Moden durchgeführt. Bei spielsweise kann die Modalanalyse auf einen Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 2 kHz oder zwischen 0 Hz und 1 kHz oder zwischen 0 Hz und 500 Hz beschränkt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Modalanalyse auf relativ energiereiche Moden beschränkt werden. Dazu können die Moden beispielsweise nach ihrem Energiegehalt oder ihrem Beitrag zur Gesamtenergie der Schwingung oder Dynamik der jeweiligen Komponente sor tiert werden. Von diesen können dann für weitere Berechnungen nur in die energiereichsten n Moden betrachtet oder verwendet werden, wobei n eine vorgegebene Zahl oder ein vorgegebener, beispielsweise prozentualer, Anteil sein kann. Ebenso kann beispielsweise anhand einer Art, einer Grundstruktur oder vorgegebenen Referenz- oder Vergleichswerten eine Annahme o- der Abschätzung durchgeführt oder vorgegeben werden, in wel chen Frequenzbereichen die energiereichsten Moden für die je weilige Komponente voraussichtlich liegen und die Modalanaly se dann hierauf beschränkt werden. Durch die hier vorgeschla gene Beschränkung der Modalanalyse kann der benötigte Berech nungsaufwand weiter reduziert werden. Durch die spezifische hier vorgesehene Beschränkung können erfahrungsgemäß aber weiterhin besonders relevante Aussagen und Erkenntnisse zum Verhalten und zu Eigenschaften der Komponenten und des tech nischen Gebildes insgesamt gewonnen werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Er findung wird für die Modellordnungsreduktion die Überführung von den kartesischen Koordinaten in die Modalkoordinaten und/oder eine Rücküberführung aus den Modalkoordinaten in die kartesischen Koordinaten nach der Modalanalyse nur für eine vorgegebene Auswahl von diskreten Beobachtungspunkten, an de nen bei der Simulation eine äußere Wirkung des technischen Gebildes insgesamt bestimmt wird, durchgeführt. Je nach Kom plexität des technischen Gebildes können beispielsweise höchstens 1000 oder höchstens 100 Beobachtungspunkten vorge- geben sein oder verwendet werden. Diese Beobachtungspunkte können insbesondere Knotenpunkte, Verbindungs- oder An schlusspunkte der Komponenten, Lager- oder Auflagepunkte oder dergleichen sein. Es hat sich gezeigt, dass durch eine derar tige Beschränkung auf bestimmte Beobachtungspunkte, die für das Verhalten des technischen Gebildes und dessen Eigenschaf ten wesentlich sind, die heutzutage typischerweise benötigten oder nachgefragten Daten, beispielsweise zur Auslegung der Komponenten und/oder zur Belastung weiterer Bauteile in einer Umgebung oder in Kontakt mit dem technischen Gebilde, gewon nen werden können. Dabei ist im Vergleich zu einer vollstän digen, beispielsweise FE-basierten Modellierung und Simulati on des technischen Gebildes eine Reduzierung eines Berech nungsaufwandes oder einer zu handhabenden Datenmenge um meh rere Größenordnungen möglich. Eine Genauigkeit der Ergebnisse für das Verhalten des technischen Gebildes an den Beobach tungspunkten kann aufgrund der Struktur des hier vorgeschla genen erfindungsgemäßen Modellierungsverfahrens dabei aber weiterhin im Bereich der auch mit einer vollständigen FE- Analyse erreichbaren Genauigkeit, beispielsweise bis auf Ab weichungen von höchstens 5% oder höchstens 10%, liegen. Die Beschränkung auf die vorgegebenen Beobachtungspunkte kann al so einen besonders effektiven und effizienten Beitrag zur Mo dellordnungsreduktion liefern.

An den vorgegebenen Beobachtungspunkten kann hier letztlich eine bidirektionale Verbindung zwischen der inneren, also mo dellinternen, modalen Beschreibung und der äußeren, kartesi schen Beschreibung der Komponenten beziehungsweise des tech nischen Gebildes erfolgen. Diese Verbindung wird vorliegend mittels oder auf Basis der jeweiligen Eigenformen erzeugt. Diese sind ebenso wie die jeweiligen Eigenfrequenzen Teil der Modalanalyse und sind damit ohnehin verfügbar und erzeugen keinen weiteren oder zusätzlichen Berechnungsaufwand. Somit können nicht nur die bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren selbst handzuhabende Datenmenge, sondern auch bei spielsweise daraus abgeleitete oder anhand daran gewonnene Daten, die anderen Anwendungen oder Programmen zur Verfügung gestellt werden, entsprechend reduziert werden. Die hier vor geschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für viele Schritte etwa in der Ent wicklung, Fertigung, Installation, Bewertung und Überprüfung von technischen Gebilden nur eine begrenzte Menge von Kernin formationen benötigt werden, nicht aber eine vollständige global Kenntnis über das detaillierte Verhalten des jeweili gen technischen Gebildes an sämtlichen Punkten oder in sämt lichen Bereichen. Zum Beispiel können bei einem Elektromotor insbesondere dessen Verhalten an einer Schnittstelle zu einer Lastmaschine, an einem Leistungsanschluss und an Auflagen punkten oder einem Fundament von Bedeutung sein. Das erfin dungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auch für komplexe tech nische Gebilde, die aus mehreren miteinander gekoppelten Kom ponenten aufgebaut sind, detaillierte und verlässliche Anga ben zu dem Verhalten an diesen oder entsprechenden Beobach tungspunkten mit im Vergleich zu bisherigen Ansätzen verbes serter Genauigkeit beziehungsweise praktikabel handhabbarem Aufwand zu erhalten.

In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden die Beobachtungspunkte in den 3D-Geometriedaten oder einem entsprechenden FE-Modell der Komponenten abhängig von einer Kategorie der jeweiligen Komponente automatisch festge legt. Die Kategorien können vorgegeben sein, beispielsweise in einer Tabelle oder Datenbank oder als Parameter oder in Metadaten zu den jeweiligen Geometriedaten, dem jeweiligen FE-Modell oder der jeweiligen Komponente. Die Kategorien kön nen eine Art oder einen Typ der Komponenten angeben. So kann eine Komponente beispielsweise als Gehäuse, als Kühlkörper, als Lager, als Achse oder Welle, als Rotor, als elektrisches Aktivteil, als Fundament und/oder dergleichen mehr kategori siert sein oder werden. Beispielsweise kann für jede Katego rie vorgegeben sein, welcher Punkt oder welche Punkte als Be obachtungspunkte verwendet werden sollen. Dies können wie be schrieben beispielsweise Lager- oder Abstützpunkte, Knoten punkte, Verbindungs- oder Anschlusspunkte aber ebenso Extrem punkte, wie beispielsweise ein Punkt oder Bereich minimalen Durchmessers oder minimaler Materialstärke, ein unterster Punkt, ein oberster Punkt oder ein Mittel- oder Schwerpunkt oder dergleichen sein. Diese Arten von Beobachtungspunkten können dann für die jeweilige Komponente in den Geometrieda ten oder in dem FE-Modell automatisch bestimmt werden. Auf diese Weise lassen sich eine noch weitergehende Automatisie rung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichen und damit ein Aufwand, der zum Gewinnen nützlicher Ergebnisse oder Erkennt nisse betrieben werden muss, weiter minimieren.

Ebenso können einige oder alle der Beobachtungspunkte manuell vorgegeben oder festgelegt oder angepasst werden. In jedem Fall können, sobald die Beobachtungspunkte - automatisch oder manuell - festgelegt sind, darauf aufbauend weitere Maßnahmen oder Schritte automatisiert ablaufen. So können dann, bei spielsweise ebenfalls abhängig von der Kategorie der jeweili gen Komponente und/oder von der Anzahl und/oder Art der fest gelegten Beobachtungspunkte, automatisch etwa eine Abtast oder Sample-Rate oder Frequenz für die Modalanalyse oder die Simulation, eine Anzahl von zu bestimmenden Eigenformen oder Moden, ein zu betrachtender oder zu analysierender Frequenz bereich, ein zu verwendendes Koordinatensystem, eine Anzahl und Art zu berücksichtigender Freiheitsgrade und/oder der gleichen mehr festgelegt oder ausgewählt werden. Dazu können entsprechende Vorschriften und/oder Zuordnungstabellen vorge geben sein.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Er findung werden beim Erzeugen der digitalen Repräsentation des technischen Gebildes zum Verbinden zumindest einiger der Spektralmodelle der Komponenten miteinander und/oder mit wei teren vorgegebenen Elementen idealisierte Kopplungsglieder verwendet. Derartige idealisierte Kopplungsglieder können beispielsweise ideale Federn, Dämpfer, Massen oder Massen schwinger oder dergleichen sein. Derartige idealisierte Kopp lungsglieder können jeweils eine bestimmte Grundeigenschaft repräsentieren oder modellieren und zwar in mathematisch oder mechanisch idealisierter, also von realen Bauteilen abstra- hierter, Art und Weise. Damit sind die idealisierten Kopp lungsglieder und dementsprechend auch die Verbindungen der Komponenten beziehungsweise der weiteren Elemente besonders einfach modellierbar und berechenbar. Da jedoch die derart miteinander verbundenen Komponenten selbst mit größerer Ge nauigkeit modelliert werden, können die an den End- oder Ver bindungspunkten der idealisierten Kopplungsglieder auftreten den Belastungen entsprechend genau das Verhalten eines ent sprechenden realen technischen Gebildes wiedergeben, sodass sich trotz der Verwendung der idealisierten Kopplungsglieder letztendlich eine für praktische Zwecke ausreichende Genauig keit ergeben kann.

Die genannten weiteren Elemente können beispielsweise eine Lagersteifigkeit, Reibungseffekte, insbesondere eine Luftrei bung beweglicher Komponenten, und/oder dergleichen mehr re präsentieren. Die weiteren Elemente können also insbesondere Effekte oder Einflüsse repräsentieren, die nicht ohne Weite res in Form von 3D-Geometriedaten oder als eigenständige FE- Modelle modelliert oder repräsentiert werden können. Insbe sondere können durch die weiteren Elemente Nichtlinearitäten modelliert oder simuliert werden, die über die Ebene der Si mulation des entsprechenden umfassenderen Systems aus Kompo nenten und weiteren Elementen vorhanden sein können. Derarti ge Nichtlinearitäten können beispielsweise in einem Gleitla ger, im Luftspalt des HV-Motors und/oder an weiteren Stellen Vorkommen. Die weiteren Elemente können ebenfalls idealisiert beziehungsweise abstrahiert sein oder durch individuelle Mo delle, beispielsweise basierend auf einer kausalen oder phy sikalischen Modellierung, vorgegeben sein.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Er findung wird zumindest eines der Spektralmodelle der Kompo nenten auch mit wenigstens einer vorgegebenen digitalisierten Umgebungskomponente, die eine Umgebung des technischen Gebil des in einem geplanten realen Einsatz repräsentiert, verbun den. Dadurch wird eine digitale Repräsentation einer das technische Gebilde umfassenden Anlage für die Simulation er- zeugt. Die Umgebungskomponente kann ihrerseits also bei spielsweise ein technisches Gebilde sein oder repräsentieren, dass mit dem ursprünglichen technischen Gebilde zusammen die Anlage bildet oder Teil der Anlage ist. Beispiele für eine derartige Umgebungskomponente können etwa ein Fundament, auf dem das technische Gebilde abgestützt werden soll, ein Leis tungsanschluss oder eine Leistungsversorgungsvorrichtung, wo rüber das technische Gebilde mit Leistung oder Energie ver sorgt werden soll, eine mittels des technischen Gebildes be triebene oder angetriebene Lastmaschine, eine Halterung für das technische Gebilde, eine Maschinenhalle, in der das tech nische Gebilde angeordnet werden soll, und/oder dergleichen mehr sein oder repräsentieren. Die Umgebungskomponente kann also eine jeweilige reale Einsatz- und/oder Arbeitsumgebung für das technische Gebilde repräsentieren oder abbilden. Dies ist besonders vorteilhaft, da das Verhalten des technischen Gebildes durch seine Umgebung beeinflusst werden kann und/oder auf diese Weise Erkenntnisse gewonnen werden können, gemäß derer eine Auslegung oder Ausgestaltung der Umgebung optimiert werden kann. Das Berücksichtigen der jeweiligen Um gebung ermöglicht vorteilhaft somit also eine individuelle Anpassung oder Bewertung für unterschiedliche Einsatzszenari en des technischen Gebildes. Dies war bisher nicht praktika bel möglich, da einerseits bei einer vollständigen FE-Analyse dafür ein nicht handhabbarer Aufwand entstehen würde und an dererseits die eingangs genannte stark vereinfachende Reprä sentation des technischen Gebildes allein durch wenige idea lisierte Elemente keine ausreichend genauen Daten und Inter aktionen liefert oder ermöglicht.

In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die wenigstens eine Umgebungskomponente zunächst durch wenigstens ein idealisiertes Element repräsentiert. Dieses wird dann in einem iterativen Verbesserungsprozess der digi talen Repräsentation der Anlage durch ein finite-Elemente- Modell (FE-Modell) oder ein daraus abgeleitetes ordnungsredu ziertes Spektralmodell der Umgebungskomponente ersetzt. Mit anderen Worten kann die digitale Repräsentation der Anlage also nach und nach angepasst und verbessert oder detaillier ter ausgestaltet werden, beispielsweise sobald in einem ent sprechenden Entwicklungs- oder Designprozess entsprechend de taillierte Modelle für die wenigstens eine Umgebungskomponen- te verfügbar werden. Es ist hier ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass dies aufgrund des modularen Auf baus der digitalen Repräsentation ohne Weiteres möglich ist. Dadurch, dass die Umgebungskomponente zunächst durch ein ide alisiertes Element repräsentiert wird, kann ein initialer Be rechnungsaufwand minimiert werden, so dass besonders schnell und frühzeitig bereits erste Erkenntnisse erlangt werden kön nen. Somit lässt sich die Effizienz und Parallelität des Ent wicklungs- und Designprozesses für das technische Gebilde be ziehungsweise die Anlage verbessern. Ein idealisiertes Ele ment meint hier eine auf idealisierten Annahmen basierende Beschreibung, die in der Realität auftretende komplexe Effek te vernachlässigt, wie dies beispielsweise aus den einfachs ten Modellen und Theorien der klassischen Mechanik, Elektro dynamik und Thermodynamik bekannt ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Compu terprogrammprodukt, das Befehle oder Steueranweisungen um fasst, die bei ihrer Ausführung durch einen Computer, insbe sondere die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Datenverarbei tung oder die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren genannte Datenverarbeitungseinrichtung, diesen Compu ter dazu veranlasst, zumindest eine Variante des erfindungs gemäßen Verfahrens, insbesondere automatisch oder teilautoma tisch, auszuführen. Das erfindungsgemäße Computerprogrammpro dukt kann ein Computerprogramm sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dementsprechend also ganz oder teilweise com puterimplementiert oder computerimplementierbar sein, also durch ein solches Computerprogramm oder einen entsprechenden Programmcode kodiert oder repräsentiert werden. Ebenso kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ein computerles barer Datenträger sein, auf dem ein entsprechendes Computer programm gespeichert ist. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die be reits genannte Vorrichtung zur Datenverarbeitung. Diese Vor richtung weist Mittel zum, insbesondere automatischen oder teilautomatischen, Ausführen zumindest einer Variante des er findungsgemäßen Verfahrens auf. Diese Mittel können insbeson dere die im Zusammenhang mit der genannten Datenverarbei tungseinrichtung beschriebenen Mittel sein. Die erfindungsge mäße Vorrichtung kann zum Ausführen des Verfahrens bezie hungsweise des entsprechenden Computerprogramms oder Pro grammcodes also insbesondere einen entsprechenden Prozessor, einen Datenspeicher und wenigstens eine Eingabe- und/oder Ausgabeschnittstelle aufweisen. Insbesondere kann die erfin dungsgemäße Vorrichtung das erfindungsgemäße Computerpro grammprodukt umfassen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung also insbesondere zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfah rens eingerichtet sein kann und das erfindungsgemäße Verfah ren also mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden kann, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung entspre chend einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren beschriebenen Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der verschiede nen Aspekte der Erfindung, also des erfindungsgemäßen Verfah rens, des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts und der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie nur im Zusammenhang mit einem oder einigen dieser Aspekte der Erfindung beschrieben sind. Um unnötige Redundanz zu ver meiden, sind die entsprechenden Weiterbildungen der vorlie genden Erfindung beziehungsweise von deren einzelnen Aspekten hier nicht noch einmal für alle diese Aspekte separat be schrieben .

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung be schrieben. Hierzu zeigt: FIG 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum

Ausführen eines Verfahrens zum Bereitstellen einer digitalen Repräsentation eines technischen Gebil des, wobei das Verfahren durch einen beispielhaften Ablaufplan repräsentiert ist;

FIG 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer ersten Beschreibung einer Komponente;

FIG 3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer zweiten Beschreibung der Komponente; und FIG 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der digitalen Repräsentation.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Kom ponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, wel che die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiter bilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die darge stellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen um fassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Er findung ergänzbar.

Es ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert und vorteil haft ein digitales Abbild oder eine digitale Repräsentation eines technischen Gebildes zur Verfügung zu haben, beispiels weise zu Unterstützung der Produktentwicklung und -Überprü fung. Im Folgenden wird rein beispielhaft hierfür von einem elektrischen Hochvolt-Motor (HV-Motor) ausgegangen, der aus mehreren Komponenten und Bauteilen aufgebaut ist und somit ein komplexes technisches Gebilde darstellt. Für die Ausle gung auf Seiten der Forschung und Entwicklung gibt es bislang lediglich zwei Alternativen zur digitalen, also rechnerge stützten Betrachtung eines derartigen komplexen technischen Gebildes, bei dem mehrere Komponenten, die jeweils primär in unterschiedlichen physikalisch-technischen Domänen agieren, miteinander gekoppelt sind. Dies sind zum ersten eine aufwän- dige Multiphysik-Simulation und zum zweiten der Verzicht auf eine gekoppelte Betrachtung des gesamten technischen Gebil des. Ersteres ist aufgrund der dafür benötigten Ressourcen derzeit nicht praktikabel möglich, sodass in der Praxis übli cherweise auf eine korrekte Simulation des Gesamtsystems ver zichtet wird. Gleiches gilt ebenso für eine präventive Analy se, beispielsweise eines gesamten Antriebsstrangs.

Weiter ist zu beachten, dass komplexe technische Gebilde ty pischerweise je nach Anforderungen oder Kundenwunsch in un terschiedlichen Konfigurationen bereitgestellt werden können. Dies bedeutet, dass selbst dann, wenn für Extremwerte, bei spielsweise die schwerste, leichteste, längste, kürzeste, etc. Konfiguration oder Variante eine Analyse oder Simulation durchgeführt wird, anhand dieser oftmals keine belastbaren Aussagen oder eine optimierte Auslegung für kundenspezifische Varianten oder Konfigurationen vorgenommen werden können, die in der Mitte eines entsprechenden Parameterfeldes liegen und eventuell unerkannte ungünstige Kombinationen oder Interakti onen zwischen einzelnen Komponenten aufweisen können.

Anstelle einer vollständigen, also physikalisch zumindest im Wesentlichen korrekten Betrachtung des Gesamtsystems, also des gesamten technischen Gebildes, kann derzeit eine Simula tion und entsprechende Auslegung für die einzelnen Komponen ten des jeweiligen technischen Gebildes separat und domänen spezifisch durchgeführt werden. Damit erfolgt also eine Simu lation oder rechnergestützte Untersuchung oder Analyse je weils begrenzt auf einzelne Komponenten und einzelne Domänen und auch die Auslegung der einzelnen Komponenten und damit des technischen Gebildes insgesamt erfolgt nur in den einzel nen Domänen ohne eine gesamtsystemische Darstellung. Hinzu kommt, dass bei heutzutage etablierten Prozessen selbst ent sprechende Simulationsdaten für die einzelnen Komponenten oftmals nur Spezialisten zur Verfügung stehen, beispielsweise innerhalb eines spezialisierten Programms zur finite-Elemen- te-Modellierung (FE-Modellierung) und damit anderen Abteilun gen (beispielsweise Engineering oder Verkauf) oder jeweiligen Kunden beziehungsweise Nutzern oder Endverbrauchern nicht zur Verfügung stehen. Wie aus Nachfragen für ein digitalisiertes Abbild zur transienten Simulation vollständiger technischer Gebilde erkennbar ist, besteht jedoch ein entsprechender Be darf.

Anstatt entsprechende genaue Simulationsdaten oder -modelle bereitzustellen, wurden diese zudem bisher typischerweise auf sehr grobe Aussagen reduziert. Beispielsweise wurde eine kom plexe Strukturdynamik eines Motorgehäuses reduziert auf zwei Massen und zwei Federn, um beispielsweise eine Kombination mit einer Rotordynamik zu ermöglichen. Für eine elektrische Berechnung wurde beispielsweise ein Schwingungsverhalten ei nes Läufers sehr grob approximiert, indem nur das Läufer- Massenträgheitsmoment betrachtet wurde. Dabei werden die ein zelnen Komponenten zudem nicht vollständig simuliert, sondern beispielsweise durch Ersatzschaltbilder oder einfache geomet rische Grundformen oder abstrakte Massenpunkte repräsentiert.

Zur Lösung dieser Schwierigkeiten, Probleme und Unzulänglich keiten soll hier ein Modellierungsverfahren vorgestellt wer den, mittels dessen Kernaussagen aus Detailanalysen der ein zelnen Domänen extrahiert und domänenübergreifend miteinander kombiniert werden können, um eine gemeinsame gesamtsystemi- sche Betrachtung mit verbesserter Genauigkeit zu ermöglichen. Damit besteht vorteilhaft die Möglichkeit, eine spezifische Variante oder Konfiguration des jeweiligen technischen Gebil des domänenübergreifend zu simulieren. Dabei wird die jewei lige spezifische Variante oder Konfiguration digital aus ein zelnen domänenspezifischen Modellen der Komponenten bezie hungsweise Hauptkomponenten zusammengesetzt des jeweiligen technischen Gebildes.

Vorteilhaft kann dabei auch eine Kenntnis einer Umgebung des jeweiligen technischen Gebildes berücksichtigt werden, um letztlich das Verhalten der jeweiligen spezifischen Konfigu ration des technischen Gebildes in einer spezifisch vorgese henen Einsatz- oder Arbeitsumgebung zu simulieren. Die einzelnen Komponenten werden domänenspezifisch, insbeson dere auf Basis bereitgestellter jeweiliger digitaler 3D-Geo- metriedaten modelliert. Gegebenenfalls können dabei mehrere domänenspezifische Modelle unterschiedlicher Domänen für eine einzige Komponente erzeugt oder bereitgestellt werden, die dabei aber jeweils auf derselben 3D-Geometrie der Komponente basieren können. Dabei können jeweils design- oder spezifika tionsgemäße Maße für die Geometrien oder entsprechende 3D- Geometriedaten verwendet werden, sodass die Komponenten hier also hinsichtlich ihrer Geometrie oder hinsichtlich ihres Aufbaus nicht vereinfacht oder abstrahiert werden, wodurch letztlich eine verbesserte Genauigkeit von resultierenden Er gebnissen erreicht werden kann. Umgebungskomponenten oder Um gebungselemente, also Elemente oder Bauteile der Umgebung oder solche, die die Umgebung repräsentieren, können in glei cher Art und Weise oder gegebenenfalls durch vereinfachte oder idealisierte Elemente bereitgestellt oder repräsentiert werden.

Mit der hier vorgestellten Technologie kann ein relevantes spektrales Verhalten des jeweiligen technischen Gebildes aus den einzelnen Domänen extrahiert werden, sodass effektiv die bisherigen kaum handhabbaren Berechnungsmodelle für eine vollständige Simulation, die beispielsweise 10 Millionen Gleichungen allein für die Strukturdynamik des Motorgehäuses umfassen können, in vergleichsweise wenige, beispielsweise 10 bis 100 oder bis 1000 Gleichungen gebündelt werden können. Durch die Art der Extraktion und eine Aufbereitung kann vor teilhaft sogar eine Weitergabe entsprechender Daten oder Mo delle an Dritte, beispielsweise an externe Firmen oder Kun den, ermöglicht werden, ohne entwicklungs- oder fertigungsre levantes Wissen offenzulegen, also unter Einhaltung von Ge heimhaltungsanforderungen. Damit können die Dritten ein digi tales Abbild des jeweiligen technischen Gebildes in der spe zifischen angeforderten Konfiguration für transiente Berech nungen relevanter Kenngrößen erhalten, aus dem jedoch keine expliziten Detailinformationen über ein Innenleben oder einen inneren Aufbau des technischen Gebildes entnehmbar sind. FIG 1 zeigt hierzu eine schematische Darstellung einer Daten verarbeitungseinrichtung CI, beispielsweise eines Computers, zum Ausführen eines Verfahrens zum Bereitstellen einer digi talen Repräsentation eines technischen Gebildes. Die Daten verarbeitungseinrichtung CI weist hier einen Datenspeicher C2, einen damit verbundenen Prozessor C3 und eine mit diesem verbundene Schnittstelle C4 zum Empfangen und Ausgeben von Daten auf. Auf dem Datenspeicher C2 ist hier ein Computerpro gramm gespeichert, das das Verfahren implementiert. Entspre chende Programmmodule beziehungsweise Verfahrensabläufe sind hier durch einen Ablaufplan 1 mit Verfahrensschritten S1 bis S10 repräsentiert. Nachfolgend soll das Verfahren anhand des Ablaufplans 1 unter Bezugnahme auf die übrigen Figuren näher erläutert werden.

Das Verfahren dient in erster Linie zur Erzeugung eines nume rischen Zwillings des jeweiligen technischen Gebildes, hier also des HV-Motors, und stellt einen entsprechenden Workflow bereit. Im Verfahrensschritt S1 werden hier zunächst die di gitalen 3D-Geometriedaten für die einzelnen Komponenten des HV-Motors aus einer Entwicklungsumgebung, hier aus einem PLM- System (PLM: Product Lifecycle Management), exportiert. Dabei wird ein neutrales, also herstellerunabhängiges, standardi siertes und nicht an eine spezifische Anwendung gebundenes Dateiformat, wie beispielsweise STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) verwendet. STEP ermöglicht dabei vorteilhaft besonders geringe Datenmengen und kann er fahrungsgemäß besonders gute Umwandlungsergebnisse liefern.

Im Verfahrensschritt S2 werden die so exportierten Geometrie daten, also ein entsprechender Datensatz, beispielsweise von 3D-CAD-Daten, in ein Programm zur FE-Modellierung oder FE- Simulation, beispielsweise „Ansys Mechanical", importiert. Darin wird der Datensatz CAE-gerecht (CAE: Computer-aided En gineering) aufbereitet. Dazu können beispielsweise Elemente, die nicht Teil einer Grundstruktur der jeweiligen Komponente und damit für das Verhalten der jeweiligen Komponente nicht oder weniger relevant sind, entfernt werden, um eine Daten- menge zu reduzieren. Dies können beispielsweise Elemente der Komponente selbst, wie beispielsweise Bohrungen zur Befesti gung weiterer Elemente, Schmiermittelkanäle, Kabelhalter, etc. oder in dem importierten Datensatz enthaltene an der ei gentlichen Komponente befestigte weitere Elemente sein. Diese CAE-gerechte Aufbereitung kann bereits als erster Teil einer Modellordnungsreduktion gesehen werden, durch die hier die handzuhabende Datenmenge und ein entsprechender Berechnungs oder Simulationsaufwand soweit reduziert oder begrenzt wird, dass das hier beschriebene Verfahren mit herkömmlich verfüg barer Berechnungshardware, beispielsweise üblichen Arbeits- platzrechnern oder Workstations, durchgeführt werden kann und keine Großrechner oder Supercomputer eingesetzt werden müs sen.

In dem FE-Programm sind die Geometrien der Komponenten in ur sprünglichen Koordinaten beschrieben. Dies können typischer weise kartesische Koordinaten sein, sodass es dann also drei Sätze von Gleichungssystemen für Höhe, Tiefe und Breite der jeweiligen Komponente gibt.

Im Verfahrensschritt S3 wird eine entsprechend gewonnene Ana lyse-Basis, letztlich also die Geometrie beziehungsweise der FE-Datensatz oder das FE-Modell, von den ursprünglichen, ins besondere kartesischen, Koordinaten in minimale Modalkoordi naten transformiert. Dies kann bevorzugt nur für eine vorge gebene diskrete Punktemenge durchgeführt werden, die einen relativ kleinen Teil aller Punkte des FE-Modells bildet. Dies stellt einen weiteren Teil der Modellordnungsreduktion dar, durch den die nachfolgenden Berechnungen oder Simulationen vereinfacht werden.

Im Verfahrensschritt S4 wird für die einzelnen Komponenten, also anhand der domänenspezifischen Modelle, eine jeweilige Modalanalyse zur Bestimmung des jeweiligen spektralen Verhal tens der Komponenten durchgeführt. Dabei wird die Modalanaly se auf die vorgegebene Punktemenge, also vorgegebene Beobach tungspunkte 27 (siehe FIG 4) beschränkt, an denen das Verhal- ten der jeweiligen Komponente in der Praxis besonders rele vant ist. Diese Beobachtungspunkte können beispielsweise Kno tenpunkte, Verbindungs- oder Anschlusspunkte zur Umgebung oder zu weiteren Komponenten, Lagerpunkte, Extrempunkte der Komponenten, Mittelpunkte oder anderweitig ausgezeichnete Punkte sein. Zudem können bevorzugt nur relativ tieffrequente aber relativ energiereiche Moden, beispielsweise bis zu einer Frequenz von 500Hz, berücksichtigt werden. Diese Begrenzungen auf wesentliche Daten an wesentlichen Punkten können eine Re duktion einer zu verarbeitenden Datenmenge um beispielsweise etwa fünf Größenordnungen, das heißt um etwa 99,999%, ermög lichen. Damit letztlich erhaltene Ergebnisse können in den ausgewählten Beobachtungspunkten 27 aber weiterhin etwa in der Genauigkeit einer vollständigen FE-Analyse liegen. Die beschriebene Beschränkung der Modalanalyse stellt einen sig nifikanten Teil der Modellordnungsreduktion dar.

Vorliegend wird hier eine ungedämpfte Modalanalyse durchge führt, in der eine jeweilige Bewegungs-Differenzialgleichung in Grundform für die Komponenten enthalten ist oder verwendet wird. In der Modalanalyse werden für die Komponenten eine je weilige modal entkoppelte Massenmatrix M und Steifigkeits matrix K berechnet. Diese werden im Verfahrensschritt S5 in eine Zustandsraumdarstellung (ZRD) überführt und neu arran giert. Dies kann vereinfacht für einen Freiheitsgrad reprä sentiert werden als: und y= C q mit und C= \f 0] mit dem Ortsvektor x, einer äußeren Kraft F, der Zeitvariab len t, dem Zustandsvektor q, der Systemmatrix A, der Ein gangsmatrix B, der Ausgangsmatrix C, dem Ausgangsvektor y, der Diagonalmatrix M^-1 K = diag(U)² ) der Eigenfrequenzen U) und der Eigenformmatrix f. Eine bei Zustandsraumdarstellungen sonst mitunter verwendete Durchgangsmatrix kann hier die Nullmatrix sein und damit ent fallen, da mechanische Systeme bei Ort und Geschwindigkeit nicht sprungfähig sind und die vorliegend betrachteten tech nischen Gebildes immer auch mechanische Systeme sein können. Ebenso wird hier beispielhaft von einer vernachlässigbar ge ringen Dämpfung ausgegangen, sodass also eine ansonsten auf tretende Dämpfungsmatrix hier ebenfalls 0 ist.

FIG 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschauli chung einer ersten Beschreibung einer Komponente 2, korres pondierend zur Bewegungs-Differenzialgleichung. Hier ist die Komponente 2 schematisch durch eine Masse 3 und eine Abstüt zung 4 sowie deren Kopplung mittels einer Feder 5 und eines Dämpfers repräsentiert. Das Verhalten der Komponente 2 wird durch einen hier ebenfalls schematisch repräsentierten Posi tionsvektor 7, entsprechend der Größe x, charakterisiert. In der Bewegungs-Differenzialgleichung für die Komponente 2 kann vorliegend eine Dämpfungsmatrix entfallen, da beispielsweise Strukturbauteile des HV-Motors ohnehin nur schwach gedämpft sind. Auf diese Weise können auch FE-Löser-Limitationen um gangen werden, aufgrund derer eine gedämpfte Modalanalyse derzeit nicht praktikabel machbar ist.

FIG 3 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschauli chung einer zweiten Beschreibung der Komponente 2, korrespon dierend zur normalen Darstellungsform der Zustandsraumdar stellung. Hier wird ein zeitabhängiger Eingangsvektor 8, ent sprechend der Größe u, mit einer Eingangsmatrix 9, entspre chend der Größe B, kombiniert. Ein daraus resultierendes Er gebnis wird in einem ersten Kombinationsglied 10 mit einer Systemmatrix 11, entsprechend der Größe A, addiert. Ein re sultierendes Ergebnis wird mit einem Abklingglied 12 ver knüpft, dass eine Zeitkonstante oder eine Proportionalität zu 1/Sekunde, also eine Frequenz, einführt. Ein resultierendes Ergebnis wird mit einer Ausgangsmatrix 13, entsprechend der Größe C, kombiniert. Ein entsprechendes Ergebnis wird in ei nem zweiten Kombinationsglied 14 mit der Durchgangsmatrix 15, entsprechend der Größe D, additiv kombiniert, sofern diese nicht entfällt. Letztendlich ergibt sich als Ergebnis ein zeitabhängiger Ausgangsvektor 16, entsprechend der Größe y.

Durch Kombination der Bewegung-Differenzialgleichung und der ZRD, entsprechend der Kombination der Beschreibungen gemäß FIG 2 und FIG 3, sowie die Neu-Arrangierung der Größen ergibt sich damit bei vernachlässigter Dämpfung: und

Dies kann als mathematische Grundlage des hier beschriebenen Ansatzes aufgefasst werden.

Die Modalanalyse sowie die Modellordnungsreduktion werden für alle Komponenten des jeweiligen technischen Gebildes, hier also für alle Komponenten des HV-Motors, durchgeführt. Zur bidirektionalen Verbindung einer inneren modalen Beschreibung und einer äußeren kartesischen Beschreibung werden dabei je weilige Eigenformen herangezogen. Diese sind ebenso wie je weilige Eigenfrequenzen integraler Teil der Modalanalyse und bedeuten somit keinen weiteren Berechnungsaufwand. Die Um rechnung von kartesischen und Modalkoordinaten (Moden) er folgt hier nur an den Beobachtungspunkten, sodass also nur dort letztlich eine äußere Wirkung der jeweiligen Komponente beziehungsweise des jeweiligen technischen Gebildes oder Sys tems berechnet wird. Die Berechnung erfolgt über die Eigen formmatrix f. Die Moden bilden k Zustände des jeweiligen Sys tems ab, die im Zustandsvektor q(t) zusammengefasst sind.

Dies können, soweit vorhanden, Starrkörpermoden, Biegemoden, Torsionsmoden und/oder dergleichen mehr sein.

Eine Systemanregung, entsprechend dem Eingangsvektor u(t), wird hier in Anregungen der k Zustände q(t) zerlegt über ui( ) — Ti,k @i,k ^' 9fc( wobei der Index i für die jeweilige Anregung (Eingang, Ort und Freiheitsgrad) steht und das zugehörige Element der Eigenformmatrix f als Gewichtungselement des jeweiligen Zu stands angibt. Eine Antwort g_{j (}t) jedes definierten Ausgangs j - für alle Ausgänge j zusammengefasst im Ausgangsvektor y - wird aus den Zuständen q(t) und den Eigenform-Gewichtungsfak- toren 0_{j k} zusammengesetzt als: y_/( ⁼ Sj,k^@j,k <7fc(

Auf diese Weise kann der Ausgang y_{j (}t) für jeden definierten Beobachtungspunkt 27 und Freiheitsgrad berechnet werden. Die Zustandsraumdarstellung ist über die A-, B- und C-Matrizen vollständig beschrieben. Auf diese Weise kann insgesamt ein ordnungsreduziertes Modell erstellt werden.

Durch den hier beschriebenen Ansatz einschließlich des Wech sels von kartesischen Koordinaten zu Modalkoordinaten und die Begrenzung auf vorgegebene Beobachtungspunkte 27 wird eine signifikante Modellordnungsreduktion ermöglicht und so ein enormes Beschleunigungspotenzial für die Berechnung und Simu lation erschlossen.

Die Ergebnisse des Verfahrensschritts S5, also etwa entspre chende Zustandsraummatrizen (englisch: state space matrices) werden im Verfahrensschritt S6, bevorzugt in einem neutralen Format, in eine Systemsimulation, also eine entsprechende Software oder ein entsprechendes Programm, beispielsweise „Ansys Twin Builder", importiert. Dort werden die ordnungsre duzierten Modelle der einzelnen Komponenten, also sogenannte Komponentenzwillinge, zu der digitalen Repräsentation des ge samten technischen Gebildes assembliert. Dabei werden die Komponentenzwillinge also miteinander verbunden, wobei gege benenfalls weitere Elemente hinzugefügt werden können und der Verbund aus Komponenten in seine geplante Ziel-Applikation, also eine entsprechende Einsatz- oder Arbeitsumgebung, einge setzt werden kann. Dazu können etwa Umgebungs-, Rand- und An fangsbedingungen definiert und modelliert werden. Die weite- ren Elemente, die gegebenenfalls hinzugefügt werden können, können beispielsweise Lagersteifigkeiten, eine Luftreibung und/oder dergleichen mehr repräsentieren. Letztlich können nahezu beliebige weitere Elemente eingefügt werden, solange diese mathematisch beschreibbar sind. Dies kann insbesondere für Lasten mit verschiedenen Kennlinien oder Kupplungen oder dergleichen gelten. Mit diesem Ansatz lassen sich auch weite re physikalische Effekte oder Domänen ergänzen. Letztendlich ergibt sich als Ergebnis hier die digitale Repräsentation, also ein Gesamtmodell oder spektrales Ebenbild oder Abbild des gesamten technischen Gebildes, gegebenenfalls einschließ lich seiner Umgebung, was hier auch als numerischer Zwilling bezeichnet wird.

FIG 4 zeigt hierzu eine schematische Darstellung zur Veran schaulichung einer solchen digitalen Repräsentation in Form eines digitalen Zwillings 17 des HV-Motors einschließlich ei niger Umgebungskomponenten, also eines numerischen Zwillings einer entsprechenden Gesamtanlage. Hauptkomponenten des HV- Motors sind hier ein Gehäuse 18, ein damit verbundenes Küh lelement 19, ein Stator 20, ein Rotor 21 sowie ein elektri sches Aktivteil 22. Der Stator 20 und der Rotor 21 sind dabei beispielsweise in dem Gehäuse 18 gelagert und somit mecha nisch mit diesem zumindest indirekt gekoppelt. Weitere Kompo nenten, die mit dem HV-Motor verbunden sind, können etwa ein elektrischer Leistungssteller, hier repräsentiert durch ein elektrisches Versorgungsnetz beziehungsweise einen entspre chenden Netzanschluss 23, ein Fundament 24, auf dem das Ge häuse 18 aufliegen und montiert werden soll, eine hier nicht im Einzelnen dargestellte Kupplung sowie eine Last 25, die hier schematisch durch eine Lastmaschine 26 an den HV-Motor angebunden ist.

Hier dargestellte Verbindungen zwischen diesen Komponenten repräsentieren Interaktionen oder Wechselwirkungen oder Kopp lungen zwischen den Komponenten. Diese Verbindungen können beispielsweise dadurch repräsentiert oder modelliert werden, dass an einer Komponente auftretende Leistungen, Belastungen oder Effekte als Eingangsgrößen zur Modellierung oder Simula tion einer damit verbundenen anderen Komponente verwendet werden. Die Verbindungen können ebenso durch individuelle weitere Elemente repräsentiert werden. Dazu können beispiels weise ideale Übertragungsglieder, Federn, Dämpfer und/oder dergleichen mehr in den digitalen Zwilling 17 eingefügt wer den. Damit lässt sich letztlich der HV-Motor in allen model lierten Domänen in seiner geplanten späteren Einsatzumgebung simulieren, insbesondere besonders zeiteffizient und mit ver besserter Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlich tatsächlich angewendeten Verfahren. Dies wird hier durch eine Kombination von verschiedenen Maßnahmen und Methoden erreicht, die sich als besonders effektiv herausgestellt hat. Insbesondere die Modellierung der Umgebung, hier beispielsweise repräsentiert durch den Netzanschluss 23, das Fundament 24 und die Lastma schine 26, ist eine neue Eigenschaft, die einen besonderen Vorteil des hier vorgeschlagenen digitalen Zwillings 17 be ziehungsweise des hier vorgestellten Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren darstellt. Damit ist die Möglichkeit zur Modellierung der Umgebung sowie etwaiger weiterer Kompo nenten und jeweiliger Kopplungen mit ihrem jeweiligen spekt ralen Verhalten gegeben. Damit lässt sich das Verhalten des HV-Motors mit seiner Interaktion mit seiner Umgebung, also ein Gesamtverhalten des digitalen Zwillings 17, berechnen oder simulieren.

Beispielhaft gekennzeichnet sind hier einige Beobachtungs punkte 27, an denen das Verhalten beziehungsweise die äußere Wirkung des digitalen Zwillings 17 im Verfahrensschritt S8 tatsächliche simuliert wird. Das Verhalten des digitalen Zwillings 17 wird hier also beispielsweise nicht an jedem be liebigen Punkt des Gehäuses 18 berechnet, sondern beispiels weise nur an dessen Lagepunkten oder Verbindungen zu den üb rigen Komponenten des digitalen Zwillings 17 und entsprechend für die übrigen Komponenten. Ein Anwender oder Nutzer des di gitalen Zwillings 17 ist typischerweise hauptsächlich an ei nigen Kerninformationen bezüglich einer jeweiligen anwender spezifischen Applikation interessiert. Diese Kerninformatio- nen inkludieren definierte Schnittstellen und Ergebnisse an definierten Orten, beispielsweise eben den Beobachtungspunk ten 27. Eine besonders relevante solche Schnittstelle stellt die Lastmaschine 26 dar. Hier können beispielsweise Werte für Drehzahl und Drehmoment gemäß realer Anforderungen oder Mes sungen bereitgestellt und anhand des digitalen Zwillings 17 berechnet oder simuliert werden. Eine weitere besonders rele vante Schnittstelle ist ein Leistungsanschluss, hier bei spielsweise der Netzanschluss 23 beziehungsweise das elektri sche Aktivteil 22. Bei dem HV-Motor kann hier beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrom aus Netzspeisung mit definierter Spannung und Frequenz (DOL, Direct Online) oder aus Um richterspeisung mit geregelter Spannung und Frequenz für be liebige Drehzahlen (VSD, Variable Speed Drive) bereitgestellt beziehungsweise simuliert werden. Eine weitere Schnittstelle, also ein weiterer Beobachtungspunkt 27, der für die Auslegung im Rahmen der Produktentwicklung besonders relevant sein kann, ist das Fundament 24 beziehungsweise dessen Verbindung zu dem Gehäuse 18. Hierüber definiert sich im Zusammenspiel mit den Strukturbauteilen des HV-Motors beispielsweise ein DrehzahlstelIbereich .

Diese und gegebenenfalls weitere Schnittstellen sind in dem digitalen Zwilling 17 in Form der Beobachtungspunkte 27 defi niert. Weitere können bei Bedarf nachmodelliert werden. In gleicher Weise können zusätzlich oder als Teil der Beobach tungspunkte 27 Monitorpunkte definiert sein oder werden. Der artige Monitorpunkte können an beliebige Stellen des digita len Zwillings 17 gesetzt werden, um dort Daten oder Informa tionen abzugreifen, also ein Verhalten des digitalen Zwil lings 17 im Rahmen der Simulation nachzuverfolgen. Dies ist insbesondere auch an Stellen möglich, die an einem realen Ge genstück nicht ohne Weiteres zugänglich sind. Diese Technolo gie kann auch als virtueller Sensor oder soft Sensor bezeich net werden, da es sich um eine virtuelle, digitale Beobach tung oder Analyse handelt. Insgesamt ist dieser Ansatz beson ders vorteilhaft und bietet besonders großes Potenzial für Verbesserungen bisheriger Abläufe, weil beispielsweise Posi- tionen von rotierenden und ortsfesten Teilen zueinander ohne komplexe physische Messverfahren mitverfolgt werden können.

Um die Simulation des digitalen Zwillings 17 iterativ zu ver bessern, können im Verfahrensschritt S9 - soweit oder sobald verfügbar - detailliertere Modelle, beispielsweise FE- Modelle, weiterer Komponenten, beispielsweise für die Umge bung des HV-Motors oder für Kopplungen zwischen den Komponen ten des HV-Motors und/oder für weitere physikalische Effekte in den digitalen Zwilling 17 integriert werden. Dabei können gegebenenfalls vorher verwendete, weniger detaillierte Model le ersetzt werden. Dementsprechend können also einige oder alle der Verfahrensschritte S6 bis S10 mehrfach iterativ durchlaufen werden, wodurch vorteilhaft eine verbesserte Ef fizienz, Effektivität und Parallelität im Entwicklungsprozess erreicht werden kann.

Im - optionalen - Verfahrensschritt S10 können beispielsweise ein Ergebnis der Simulation mit einem real gebauten Gegen stück des digitalen Zwillings 17 verglichen werden, um eine Bewertung des digitalen Zwillings 17 beziehungsweise des hier beschriebenen Verfahrens zu ermöglichen und/oder um bei spielsweise zu bestimmen, ob das reale Gegenstück, also eine entsprechende reale Anlage, innerhalb vorgegebener Spezifika tionen betrieben wird. Dabei gewonnene Erkenntnisse können dann gegebenenfalls zur Verbesserung des Verfahrens bezie hungsweise der Komponentenzwillinge, zur Verbesserung der Fertigung, zur Verbesserung einer Betriebsstrategie und/oder dergleichen mehr verwendet werden.

Letztlich erlaubt das hier vorgestellte Verfahren neben ge wohnten Ergebnissen wie etwa Drehzahl-Drehmoment-Verläufen eine kohärente Modellierung der Physik, also eines vollstän digeren Verhaltens des digitalen Zwillings 17 einschließlich Kopplungen zwischen Komponenten, wodurch sich beispielsweise die Möglichkeit ergibt, Lageschwingungen durch Unwucht oder beispielsweise Belastungen von Fundamentschrauben und/oder dergleichen mehr zu bestimmen, was mit bisherigen, komponen- tenspezifischen Einzelbetrachtungen oder Einzelmodellen nicht möglich war. Damit lassen sich beispielsweise Teile, wie etwa die Fundamentschrauben, besser an tatsächliche Belastungen angepasst auslegen und wertvolle Informationen, wie bei spielsweise eine Krafteinleitung an verschiedenen Komponen ten, eine Gesamtkraft, beispielsweise auf das Fundament 24, Schwingungsanregungen durch den HV-Motor für weiterführende bauingenieurliche Gebäudeanalysen und dergleichen mehr gewin nen.

Bei dem hier verwendeten Ansatz kann eine Kombination aus zwei verschiedenen Modellierungstypen, nämlich der kausalen Modellierung und der physikalischen Modellierung (konservati ve Modellierung), genutzt werden. Bei der kausalen Modellie rung ist ein definiertes Eingangs-Ausgangs-Verhalten gegeben. Die physikalische Modellierung kann beispielsweise ein Kno tenpotenzialverfahren (Kirchhoff-Regeln) nutzen, um eine bidirektionale Verbindung zwischen zwei Knotenpunkten und so mit zwischen zwei Komponenten herzustellen. Ein Knoten oder Knotenpunkt kann in diesem Sinne eine Verbindung eines ord nungsreduzierten Modells einer Komponente zur Umgebung oder zu einer anderen Komponente beziehungsweise deren ordnungsre duziertem Modell sein. Insbesondere vereinfachte oder ideali sierte weitere Elemente, wie beispielsweise Federn, Massen oder Dämpfungsglieder können ebenfalls über die physikalische Modellierung eingebunden werden. Damit kann vorteilhaft eine intuitive Anwendbarkeit des hier beschriebenen Verfahrens für eine große Bandbreite von Fachpersonal, beispielsweise für Ingenieure unterschiedlicher Disziplinen, ermöglicht werden.

Ein zentraler Prozess des hier vorgestellten Verfahrens kann in zwei Abschnitte geteilt werden. Dies sind zum einen die Erzeugung der Komponentenzwillinge im Rahmen einer FE-Analyse oder FE-Modellierung und zum anderen die simulatorische Nut zung des GesamtZwillings, also des vollständigen digitalen Zwillings 17, in der Systemsimulation. Für eine praktische Anwendung können dafür derzeit beispielsweise die Programme „Ansys Mechanical" beziehungsweise „Ansys Twin Builder" ver- wendet werden. Damit lässt sich der Prozess beziehungsweise das Verfahren zumindest im Wesentlichen automatisieren, bei spielsweise durch eine Ansteuerung via ACT (Application Com- patibility Toolkit) beziehungsweise via IronPython (Implemen tierung der Programmiersprache Python), also durch Nutzung des Potenzials moderner Programmierung.

Im Rahmen der Prozessautomatisierung können zudem die Be obachtungspunkte 27 gegebenenfalls automatisch gesetzt oder erzeugt werden, beispielsweise in Abhängigkeit jeweiliger vorgegebener Kategorien der Komponenten. Dies kann vorteil haft beispielsweise bereits anhand der Geometriedaten in dem FE-Programm erfolgen. Dabei können vorteilhaft ebenso automa tisch entsprechende Koordinatensysteme, zu simulierende Frei heitsgrade, Rand- und Einspannbedingungen, angepasste Ein stellungen für den FE-Löser und/oder dergleichen mehr defi niert oder gesetzt und die Simulation oder Modellierung auto matisch gestartet werden.

Gemäß einer vorgegebenen Spezifikation der jeweiligen techni schen Gebilde können entsprechende Komponentenzwillinge gege benenfalls aus einer bereitgestellten entsprechenden Modell bibliothek abgerufen werden, beispielsweise auf Basis jewei liger maschinenlesbarer Fabrikate-Bezeichnungen (MLFB). Die jeweilige MLFB kann dabei die jeweilige Variante, Konfigura tion oder Ausführung der Komponente oder des technischen Ge bildes insgesamt angeben oder spezifizieren. Für den HV-Motor kann über die MLFB beispielsweise eine Achshöhe oder eine Längenziffer des Aktivteils 22 oder dergleichen vorgegeben sein. Es können dann alle benötigten Komponenten beziehungs weise deren bereitgestellte Modelle automatisch oder teilau tomatisch in die jeweilige Simulationsumgebung importiert und mit ihren benachbarten Komponenten und/oder mit zwischenge schalteten weiteren Elementen, wie beispielsweise Federn, Dämpfern, Übertragungsgliedern, etc. verbunden werden. Auch beispielsweise die elektro-mechanische Energiewandlung des HV-Motors kann als entsprechender Komponentenzwilling einge fügt und automatisch oder teilautomatisch beispielsweise mit korrekten Koeffizienten eines entsprechenden T-Ersatzschalt- bildes auf MLFB-Basis versehen werden.

Mit bisher verfügbaren Software-Werkzeugen lässt sich bei spielsweise jeweils individuell die Rotordynamik des HV- Motors berechnen, ein zulässiger Drehzahlstellbereich bestim men oder anhand der Strukturdynamik eine Systemantwort des Gehäuses 18 auf die Anregung beispielsweise einer benachbar ten Dieselmaschine oder eines Erdbebens oder dergleichen er mitteln. Eine separate elektrische Simulation kann mit bishe rigen Verfahren das Verhalten des HV-Motors bestimmen, wobei aber als mechanische Grundlage ein stark vereinfachtes Rotor modell in Form eines idealisierten Zwei-Massen-Schwingers an stelle der tatsächlichen spezifikationsgemäßen 3D-Geometrie- daten des Rotors 21 verwendet wird.

Diese herkömmlichen Software-Werkzeuge versagen allerdings, wenn beispielsweise die Strukturdynamik rotordynamische Ef fekte beeinflusst, da eine entsprechende vollständige Analyse nicht praktikabel handhabbare Rechenzeit und Berechnungsres sourcen beanspruchen würde. Daher werden bisher Interaktionen zwischen den Komponenten nicht oder zumindest nicht in rea listischer Weise betrachtet. Derartige Interaktionen werden aber voraussichtlich in Zukunft einen größeren Stellenwert einnehmen, also von größerer Bedeutung sein, da beispielswei se gleichzeitige Anforderungen hinsichtlich Materialeinspa rungen, Leistungserhöhungen, Steigerung von Effizienz und Ausnutzung für komplexe Systeme zu einer verstärkten Einbe ziehung von Kopplungseffekten unter den Komponenten führen wird.

Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren kann die gesamte Phy sik auch eines komplexen technischen Gebildes domänenüber- greifend kohärent in FE-Genauigkeit zumindest für die letzt lich relevanten Beobachtungspunkte 27 modelliert werden mit einem aufgrund der Maßnahmen zur Modellordnungsreduktion be grenzten Berechnungsaufwand, der einen vollständigen Simula tionslauf für den digitalen Zwilling 17 mit einem Zeithori- zont von beispielsweise einigen Minuten anstelle von mehreren Tagen oder Wochen ermöglicht. Dabei können trotz der Modell ordnungsreduktion im Vergleich zu bisherigen Verfahren neue Erkenntnisse gewonnen werden, da vorliegend nicht nur einzel ne Komponenten und Domänen isoliert individuell betrachtet werden, sondern beispielsweise kombinierte Eigenformen mehre rer Komponenten und/oder aus mehreren Domänen miteinander kombiniert oder interagierend betrachtet, also simuliert wer den können. Da die Domänen kohärent modelliert sind, lassen sich Ergebnisse aus Interaktionen über entsprechende Be reichsgrenzen hinweg erzeugen.

Insgesamt zeigen die hier beschriebenen Beispiele, wie eine digitale Handhabung eines komplexen technischen Gebildes durch eine angepasste Erzeugung eines numerischen Zwillings des technischen Gebildes verbessert werden kann.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit ein computerge stütztes Verfahren 1 und eine Vorrichtung CI zum Erzeugen ei ner digitalen Repräsentation 17 eines technischen Gebildes, insbesondere eines Elektromotors sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt 1, C2. Bei dem Verfahren 1 werden auf digitalen Geometriedaten von Komponenten 2,18,19,20,21,22 ba sierende domänenspezifische Modelle bereitgestellt. Ausgehend davon wird eine Modellordnungsreduktion durchgeführt, wobei die domänenspezifischen Modelle in Modalkoordinaten überführt werden und damit ein spektrales Verhalten der Komponenten 2, 18,19,20,21,22 mittels einer jeweiligen Modalanalyse bestimmt wird. Darauf basierend werden entsprechende Zustandsraumdar stellungen als ordnungsreduzierte Spektralmodelle erzeugt.

Für eine Simulation des technischen Gebildes insgesamt werden die Spektralmodelle miteinander zu der digitalen Repräsenta tion 17, die das Verhalten des technischen Gebildes domänen- übergreifend beschreibt, für eine Simulation gekoppelt.

Claims

Patentansprüche

1. Computergestütztes Verfahren (1) zum Erzeugen einer digi talen Repräsentation (17) eines vorgegebenen technischen Ge bildes, insbesondere eines Elektromotors, bei dem

- auf digitalen 3D-Geometriedaten vorgegebener Komponenten (2,18,19,20,21,22) des technischen Gebildes basierende do mänenspezifische Modelle dieser Komponenten (2,18,19,20, 21,22) bereitgestellt werden,

- ausgehend von den domänenspezifischen Modellen eine Modell ordnungsreduktion durchgeführt wird, wobei

- die domänenspezifischen Modelle in Modalkoordinaten überführt werden,

- damit ein spektrales Verhalten der Komponenten (2,18, 19,20,21,22) mittels einer jeweiligen Modalanalyse be stimmt wird, und

- darauf basierend für die Komponenten (2,18,19,20,21,

22) Zustandsraumdarstellungen als ordnungsreduzierte Spektralmodelle erzeugt werden, und

- für eine Simulation des technischen Gebildes insgesamt die Spektralmodelle der Komponenten (2,18,19,20,21,22) mitei nander zu der digitalen Repräsentation (17), die das Ver halten des technischen Gebildes domänenübergreifend be schreibt, für eine Simulation des technischen Gebildes ge koppelt werden.

2. Verfahren (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verfahren zum Erzeugen einer digitalen Repräsentation als digitales Modells oder di gitaler Zwilling des vorgegebenen technischen Gebildes, ins besondere des Elektromotors vorgesehen ist.

3. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass des vor gegebene technische Gebilde ein Elektromotor ist und die Beispiel eines Elektromotors können die Komponenten (2,18,19,20,21,22) ein Gehäuse, ein Rotor, ein Stator, eine Kühleinrichtung und/oder ein elektrisches Aktivteil des Elektromotors sind.

4. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die do mänenspezifische Modelle jeweils Eigenschaften oder ein Ver halten der jeweiligen Komponente in jeweils einer physika lisch-technischen Domäne modellieren oder beschreiben.

5. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die do mänenspezifischen Modelle Mechanik, Elektrik, Elektrodynamik, Thermik und/oder Thermodynamik betreffen, wobei die domänen spezifische Modelle eine deutlich geringere Komplexität als ein vollständiges Modell aufweisen, so dass die domänenspezi fischen Modelle mit entsprechend geringerem Aufwand erzeugbar und handhabbar sind.

6. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der je weiligen Modalanalyse für die Komponenten (2,18,19,20,21,22) jeweils eine modal entkoppelte Massenmatrix M und Steifig keitsmatrix K bestimmt werden, die ausgehend von der Bewe gungsgleichung für die jeweiligen Komponenten (2,18,19,20,21,22) via Zustandsraumdarstellung so arrangiert werden, dass sich für einen Freiheitsgrad die folgende Form ergibt: mit dem zeitabhängigen Zustandsvektor q = mit dem zeitab- hängigen Positionsvektor s, der Diagonalmatrix AT¹ K der Ei genwerte, der Einheitsmatrix I, der Dämpfungsmatrix D, der Eigenformmatrix f, dem zeitabhängigen Eingangsvektor u und dem zeitabhängigen Ausgangsvektor y.

7. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die je weilige Modalanalyse nur für einen vorgegebenen unteren Fre quenzbereich, insbesondere zwischen 0Hz und 2kHz, und/oder nur für eine vorgegebene Anzahl der energiereichsten Moden durchgeführt wird.

8. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für die

Modellordnungsreduktion die Überführung von den ursprüngli chen Koordinaten der domänenspezifischen Modelle in die Mo dalkoordinaten und/oder eine Rücküberführung aus den Modalko ordinaten in andere Koordinaten, insbesondere in die ur sprünglichen Koordinaten, nach der Modalanalyse nur für eine vorgegebene Auswahl von diskreten Beobachtungspunkten (27), insbesondere für höchstens 1000 Beobachtungspunkte (27), durchgeführt wird, an denen bei der Simulation eine äußere Wirkung des technischen Gebildes insgesamt bestimmt wird.

9. Verfahren (1) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beobachtungspunkte in den 3D-Geometriedaten der Komponenten (2,18,19,20,21,22) ab hängig von einer vorgegebenen Kategorie der jeweiligen Kompo nente (2,18,19,20,21,22) automatisch festgelegt werden.

10. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Er zeugen der digitalen Repräsentation (17) des technischen Ge bildes zum Verbinden zumindest einiger der Spektralmodelle der Komponenten (2,18,19,20,21,22) miteinander und/oder mit vorgegebenen weiteren Elementen idealisierte Kopplungsglieder verwendet werden.

11. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumin dest eines der Spektralmodelle der Komponenten (2,18,19,20, 21,22) auch mit wenigstens einer vorgegebenen digitalisierten Umgebungskomponente (23,24,25,26), die eine Umgebung des technischen Gebildes in einem geplanten realen Einsatz reprä sentiert, verbunden und dadurch eine digitale Repräsentation (17) einer das technische Gebilde umfassenden Anlage für die Simulation erzeugt wird.

12. Verfahren (1) nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wenigstens eine Umge bungskomponente (23,24,25,26) zunächst durch wenigstens ein idealisiertes Element (3,4,5,6) repräsentiert wird, das in einem iterativen Verbesserungsprozess der digitalen Repräsen tation (17) der Anlage durch ein finite-Elemente-Modell oder ein daraus abgeleitetes ordnungsreduziertes Spektralmodell der Umgebungskomponente (23,24,25,26) ersetzt wird.

13. Computerprogrammprodukt (1,C2), umfassend Befehle, die bei ihrer Ausführung durch einen Computer (CI) diesen dazu veranlassen, das Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere automatisch, auszuführen.

14. Vorrichtung (CI) zur Datenverarbeitung, wobei die Vor richtung (CI) zur Ausführung, insbesondere zur automatischen, Ausführung des Verfahrens (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.