MapleSim hilft bei der Konstruktion
Zuverlässigere Maschinen für den Offshore-Einsatz
Offshore-Einrichtungen zur Öl- und Gasförderung kosten täglich Millionen Dollar und die Besatzungen müssen in der Lage sein, ihre Aufgaben so schnell wie möglich zu erfüllen. Hierzu gehört die sichere und zuverlässige Montage der flexiblen Rohre, aus denen das kilometerlange Bohrgestänge zusammengesetzt wird, auf abgelegenen Plattformen, wo der Platz knapp ist und sich die Wetterbedingungen häufig ändern. MapleSim hilft bei deren Konstruktion.
Auf modernen Bohrplattformen werden hochspezialisierte Maschinen zur Handhabung des Materials eingesetzt, damit die Komponenten schnell, präzise und sicher bewegt werden können und der Zeitplan eingehalten werden kann. Diese Maschinen werden meistens hydraulisch angetrieben, wobei die modernsten Systeme hochentwickelte elektronische Steuerungen enthalten, die die Bedienung vereinfachen und ein hohes Maß an Automatisierung erlauben.
Die Entwicklung derartiger Systeme ist eine große Herausforderung, denn das dynamische Verhalten eines Krans, der sich bewegt, hängt unter anderem vom genauen elektrischen und hydraulischen Verhalten der Steuerventile, der Leistung der Hydraulikantriebe, der Trägheit der Struktur des Krans, der Last und den komplexen Wechselbeziehungen zwischen all diesen Komponenten ab.
Diese Komplexität macht nicht nur die Programmierung des Steuersystems des Krans zu einer anspruchsvollen Aufgabe, auch die Entwicklung der Mechanik und der Hydraulik ist eine große Herausforderung. Die Entwicklerteams müssen sicherstellen, dass die ausgewählten Hydraulikkomponenten die erforderliche Reaktivität oder 'Bandbreite' aufweisen, und eine Reihe weiterer Faktoren berücksichtigen, zum Beispiel Kosten, Größe und Gewicht der Komponenten, ihre langfristige Zuverlässigkeit und ihre Wartungsfreundlichkeit.
Im Rahmen eines laufenden Forschungsprojekts an der technischen Fakultät der Universität Agder in Norwegen in Zusammenarbeit mit der Firma Aker Solutions, einem Hersteller von Offshore-Ausrüstung, geht es darum, diese großen konstruktiven Herausforderungen zu erleichtern, indem die Ingenieure die Maschinen bis ins Detail simulieren, bevor auch nur ein einziges Teil gefertigt wird. MapleSim, das Werkzeug von Maplesoft zur Modellierung auf Systemebene, spielt bei dieser Initiative eine entscheidende Rolle.
Morten Kollerup Bak ist der wissenschaftliche Mitarbeiter, der für dieses Projekt zuständig ist. Er erklärt, wie das Team vorgeht. „Unser Ziel ist es, mit einer Entwicklung auf Modellbasis das Verhalten des fertigen Produkts vorherzusagen und wichtige Entscheidungen bei der Entwicklung zu unterstützen. Damit das funktionieren kann, hängt alles davon ab, ob man das Modell der gesamten Struktur und der Steuerung mit ausreichender Detaillierung erstellen kann, um eine realistische Vorstellung vom späteren Verhalten zu bekommen.“
Bei der Arbeit von Bak ist MapleSim für die Konstruktion derart präziser Modelle von zentraler Bedeutung. „Ich teile das ganze System in drei verschiedene Modelle auf – die mechanische Struktur, die hydraulischen Antriebe und die elektrische Steuerung“, erklärt er. „Dabei setze ich MapleSim dazu ein, Modelle der ersten beiden Teile und in einigen Fällen auch aller drei zu erstellen.“ MapleSim ist seiner Erfahrung nach für diese Arbeit gut geeignet, denn es bietet nicht nur eine umfassende Bibliothek an Standardelementen, sondern auch kundenspezifische Teile lassen sich leicht integrieren.
Dieses Maß an Flexibilität ist entscheidend, um die Präzision und Detaillierung zu erreichen, die für die modellbasierte Entwicklung erforderlich sind. „Bei unserer Arbeit geht es darum, die Modelle der Hydraulik soweit wie möglich aus Standard-Katalogdaten zu erzeugen“, so Bak. „Wir haben jedoch bald erkannt, dass die Hersteller der Komponenten nicht immer alle benötigten Daten bereitstellen. Das ist dann problematisch, wenn man das genaue Verhalten des zu simulierenden Objekts unter dynamischen Bedingungen untersuchen will.“
Um die fehlenden Daten zu ergänzen, hat Bak kundenspezifische Modelle wichtiger Komponenten, zum Beispiel der Steuerventile, erzeugt und deren Genauigkeit anhand von Tests mit einzelnen, isoliert betriebenen Komponenten überprüft. Sobald er sicher ist, dass die kundenspezifischen Elemente wie vorgesehen funktionieren, kann Bak sie in die MapleSim-Modelle des gesamten Antriebs integrieren und das wahrscheinliche Verhalten des gesamten Krans untersuchen.
„Mit unserem Industriepartner haben wir bereits ein Modell eines existierenden Krans erstellt und nachgewiesen, dass es das Verhalten des realen Krans präzise vorhersagt. Jetzt haben wir damit begonnen, dieses Modell in unserer Entwicklungsarbeit einzusetzen. Dabei untersuchen wir die wahrscheinlichen Auswirkungen des Austauschs oder konstruktiver Änderungen bei einzelnen Komponenten.“ Die Möglichkeit, solche Änderungen am Modell zu untersuchen, bevor das System realisiert wird, ist für die Entwickler von Aker Solutions bereits eine große Hilfe.
Doch erst das nächste Stadium des Projekts birgt das Potenzial, ihre Rolle grundsätzlich zu verändern. „Letztlich wollen wir unsere Modelle für die Automatisierung der Entwicklung einsetzen“, führt Bak aus. „Bei diesem Ansatz geben wir die Leistungsanforderungen an das Endprodukt sowie eine Bibliothek von Optionen für die hydraulischen und mechanischen Komponenten in das System ein und lassen es nach der optimalen Lösung suchen.“
Eine Optimierung mit Hunderten von Komponenten und Tausenden von Parametern wäre für einen Menschen eine zeitaufwendige, schwierige und unerträglich monotone Aufgabe. Mit einem in MapleSim erzeugten Simulationsmodell lässt sich das alles rasch und mühelos erledigen. Doch auch dann wird für ein praktikables System ein effizienter Suchalgorithmus benötigt, und Bak plant, die Komplex-Methode einzusetzen.
„Bei diesem Algorithmus bringen wir in die Simulation eine Reihe zufällig erzeugter Konstruktionen ein, und das System bewertet ihre jeweilige Leistung“, erklärt er. „Es wählt anschließend die Variante mit der schlechtesten Leistung aus und 'spiegelt' sie am Zentroid der übrigen Versionen, um eine Lösung zu erhalten, die besser funktionieren sollte.“ Dieser Prozess wird wiederholt, wobei die jeweils am schlechtesten funktionierende Variante ersetzt wird, bis die Lösungen beim optimalen Ergebnis konvergieren. Zu Beginn verwendet Bak die Stabilität und die Genauigkeit als Leistungskriterien und erhält so als optimale Lösung die Variante mit den geringsten Schwingungen im Hydrauliksystem, die am Besten in der Lage ist, der dem Steuersystem vorgegebenen Positionsreferenz zu folgen.
Für die Zukunft plant Bak weitere Kriterien – zum Beispiel Preis, Robustheit und langfristige Zuverlässigkeit – hinzuzufügen. Und während die Universität Agder bei ihrem Projekt die Modelle für immer schwierigere Aufgaben einsetzt, treten andere Aspekte von MapleSim in den Vordergrund. „Ich benutze MATLAB und Simulink, um den Algorithmus zur Optimierung der Konstruktion auszuführen“, erläutert Bak. „Da MapleSim auch eine direkte Verbindung zu diesem Paket enthält, ist es einfach, diese beiden Teile der Aufgabe zu integrieren.“
Die Optimierung der Konstruktion stellt auch hohe Ansprüche an die Effizienz der Softwarepakete, da für eine einzige Optimierung Hunderte oder gar Tausende von Simulationen erforderlich sein können. „MapleSim ist schnell und rechnet mit hoher Effizienz. Das ist wichtig, um die Ausführungszeiten im akzeptablen Rahmen zu halten, wenn wir umfangreichere und anspruchsvollere Analysen durchführen wollen.“
