Zeitgenaue Simulation gemischt virtuell-realer Prototypen

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Ensuring the deterministic behaviour when coupling software tools within a whole car simulation

Die zunehmende Komplexität der heutigen industriellen Produkte, insbesondere in der Automobilbranche, weist den Simulationen eine immer wichtigere Rolle zu. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren neue Tools und Simulationskonzepte erforscht und entwickelt, die es ermöglichen schon während der Konstruktionsphase aussagekräftige Informationen über ein Produkt zu liefern. Somit können wertvolle digitale Informationen für weitere Bereiche gewonnen werden und gleichzeitig werden teure Hardware-Prototypen und kostenintensive Revisionen an den ersten Serien vermieden. In der vorliegenden Dissertation wird das Prinzip der modell- bzw. werkzeuggekoppelten Simulation als Erweiterung der neuen Modellierungskonzepte beschrieben und analysiert. Ziel dieser Beschreibung und Analyse ist die Sicherstellung des deterministischen Verhaltens der Simulation in Abhängigkeit der Schrittweite, so dass eine Verzerrung der Simulationsergebnisse vermieden wird. Die rechnergestützte Implementierung der dynamischen Modelle bzw. Regelungsmodelle wird mit den Werkzeugen ADAMS und MATLAB/Simulink durchgeführt. Beim Entwurf der Gesamtmodelle stand stets die Beschreibung und die aufgabenspezifische Verbesserung der Interface-Struktur zwischen den Softwarepaketen im Vordergrund. In den meisten Fällen zeigt die Interface-Struktur ein gutes Verhalten bei der Simulation linearer Systeme; jedoch weist sie Lücken im Umgang mit Diskontinuitäten auf. Die Implementierung eines Eventhandlers behebt das Problem in diesen kritischen Situationen und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Standardisierung solcher Schnittstellen. Dieses Lösungskonzept leistet daher einen sinnvollen Beitrag zur Realisierung einer deterministischen Gesamtsystemsimulation anhand eines Softwareverbundes. Diese Dissertation soll somit den Entwicklern helfen, zuverlässige und robuste Simulationsergebnisse zu bekommen, die zwingend zur Verbesserung des Produktlebenszyklus führen.The increasing complexity of industrial products, especially in the automobile sector, assigns a high importance to simulations. This was one of the major propellers of the intense development on this field during the last fifteen years. The objective of the new simulation concepts is the generation of representative information already during the design stage of the product. The results and experiences, collected in the virtual simulation, yield databases with important digital information about the product.Consequently, further design and enhancements are made easier. Expensive hardware prototyping and rebuilding in the production first run can be highly reduced. This dissertation thesis aims at analysing and improving the model and tool coupled simulations as important extensions to new modelling concepts. Precisely, we are interested in ensuring a deterministic behaviour of simulations. Hence, error accumulation or result discrepancies can be avoided. The computer aided modelling was realised by using the software ADAMS for the multi body system design and MATLAB/Simulink for the control system design. All along this study, the focus was on the description and the improvements of the interface between the software tools used for the coupled simulation. In most cases the interface is reliable when simulating continuous linear systems. However, it shows deficiency dealing with system discontinuities for particular solver settings. The implementation of an event handler patches the problem in those critical situations. Thus it is an important step towards the standardisation of such interfaces. The concept of event handler makes a significant contribution to the realisation of deterministic global system simulations using several software tools. This dissertation helps software developers building robust simulation environments with reliable outputs. Better life cycle of the simulated product can be achieved

Heating and Cooling Concept for a Battery Electric Vehicle based on Secondary Loops

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung und Herleitung eines neuartigen Heiz- und Kühlsystems für ein batteriebetriebenes Fahrzeug. Das System basiert auf zwei Ansätzen: Zum einen dient ein kompakter Kältemittelkreislauf der zentralen Bereitstellung von Heiz- und Kühlleistung. Zum anderen erfolgt eine einfache Anbindung von thermischen Quellen und Senken über Sekundärkreisläufe. Im Rahmen dieser Arbeit werden neuartige Methoden zur systematischen Ableitung von Funktionen, Betriebsstrategien, Verschaltungsplänen und Simulationsmodellen für ein solches System mit Hilfe der Graphentheorie erarbeitet. Verteilte Heiz- und Kühlsysteme müssen dabei ganzheitlich betrachtet werden, um eine effiziente Nutzung der vorhandenen Energie zu gewährleisten. Durch die Anwendung einer neuen Bewertungsmethode, die das statistisch repräsentative Nutzungsverhalten mit realen Klimaprofilen abbildet, werden erstmalig reale thermische Anforderungen an das Heiz- und Kühlsystem untersucht. Dazu wird ein Gesamtfahrzeugmodell eines batterieelektrischen Fahrzeugs vorgestellt. Dieses besteht aus einem Längsdynamik- und Antriebsstrangmodell zur Vorhersage thermischer Verluste der elektrischen Antriebskomponenten sowie einem Klimasystemmodell zur Vorhersage stationärer und transienter Klimatisierungsbedarfe. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht eine neue Methode zur Identifikation erforderlicher thermischer Energieströme zwischen Quellen und Senken des Heiz- und Kühlsystems bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Temperaturdifferenzen, die für die Übertragung von Wärme Voraussetzung sind. Durch Anwendung der Methode werden energieflussbasierte Betriebsstrategien unter Annahme eines idealisierten Thermomanagements abgeleitet. Im Rahmen einer statistischen Analyse werden identifizierte Betriebsarten klassifiziert sowie Auftrittshäufigkeiten und Wechselwirkungen für die Betriebsfälle Heizen/Kühlen und Entfeuchten untersucht. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen folgt die systematische Ableitung, Untersuchung und Optimierung hydraulischer Realisierungen, die sich aus der energieflussbasierten Analyse ergeben. Dabei wird eine neue graphentheoretische Methode zur halbautomatisierten Ableitung von Simulationsmodellen beliebiger Verschaltungspläne erarbeitet. Die Anwendung der Simulationsmethoden erfolgt für die Bewertung eines ganzjahrestauglichen thermischen Energiespeichers hinsichtlich der Steigerung der elektrischen Reichweite.The objective of this thesis is to study and establish a novel heating-and-cooling system for battery electric vehicles. This system is based on two principles: First, a compact refrigeration unit provides heating and cooling power centrally. Second, using secondary fluid loops simplifies the way thermal sources and thermal sinks are integrated. By applying graph theory, this work develops new methods for systematic deduction of functions, operational strategies, system designs and simulation models. At the same time, various subsystems must be considered holistically in order to ensure most efficient use of available energy and thus minimize the negative impact on real-world electric driving range. This thesis also applies a new method using statistically-representative customer usage and climate profiles to the study real-world thermal demands of the heating and cooling system for the first time. This requires a model of a battery electric vehicle, which consists of a longitudinal dynamics model, a drive train model, and a climate system model. The longitudinal dynamics and drive train model are used to predict thermal losses of electric drive train components, while the climate system model is used to predict steady state and transient heating and cooling loads for interior air conditioning. Central to this thesis is a new method for identifying the necessary thermal energy flows among components of the heating-and-cooling system while simultaneously considering temperature differences required for heat transfer. Using the new method, energy-flow-based operation modes are identified under the assumption of an ideal thermal management. Within the scope of a statistical analysis, such identified operation modes are classified and also their probability of occurrence and interaction is studied. Finally, hydraulic realizations are derived (from the discovered energy-flow-based operation modes), analyzed and optimized. A new method generalizing the simulation of arbitrary coolant flow loops is developed. This simulation method evaluates a year-round available thermal energy storage system with respect to its ability to increase electric driving range

Virtual Environments. Seminar - Sommersemester 2003

Dieser Bericht stellt die Ergebnisse des Seminars Virtual Environments (VE) zusammen. Ein wichtiges Ziel von VE ist die Immersion, die Einbindung des Benutzers als aktiven Teilnehmer in eine computergenerierte Welt. Voraussetzung dafür sind Techniken zur Simulation von Lebendigen virtuellen Welten, also zur Simulation von 3D-Szenen mit realistischem Verhalten. Es geht dabei um Kollisionserkennungsalgorithmen, haptisches Rendering, Navigations- und Interaktionstechniken, programmierbare Grafik-Hardware, verteilte virtuelle Welten bis hin zur Modellierung und Simulation von virtuellen Menschen. Die virtuelle Realität hat sich inzwischen in verschiedenen Anwendungsbereichen durchgesetzt und wird auch im Rahmen des SFB 588 Humanoide Roboter - Lernende und kooperierende multimodale Roboter für die Simulation des humanoiden Roboters und die Evaluierung der Mensch-Roboter-Schnittstelle eingesetzt

Analyse und Vorhersage der Aktualisierungen von Web-Feeds

Feeds werden unter anderem eingesetzt, um Nutzer in einem einheitlichen Format und in aggregierter Form über Aktualisierungen oder neue Beiträge auf Webseiten zu informieren. Da bei Feeds in der Regel keine Benachrichtigungsfunktionalitäten angeboten werden, müssen Interessenten Feeds regelmäßig auf Aktualisierungen überprüfen. Die Betrachtung entsprechender Techniken bildet den Kern der Arbeit. Die in den verwandten Domänen Web Crawling und Web Caching eingesetzten Algorithmen zur Vorhersage der Zeitpunkte von Aktualisierungen werden aufgearbeitet und an die spezifischen Anforderungen der Domäne Feeds angepasst. Anschließend wird ein selbst entwickelter Algorithmus vorgestellt, der bereits ohne den Einsatz spezieller Konfigurationsparameter und ohne Trainingsphase im Durchschnitt bessere Vorhersagen trifft, als die übrigen betrachteten Algorithmen. Auf Basis der Analyse verschiedener Metriken zur Beurteilung der Qualität von Vorhersagen erfolgt die Definition eines zusammenfassenden Gütemaßes, welches den Vergleich von Algorithmen anhand eines einzigen Wertes ermöglicht. Darüber hinaus werden abfragespezifische Attribute der Feed-Formate untersucht und es wird empirisch gezeigt, dass die auf der partiellen Historie der Feeds basierende Vorhersage von Änderungen bereits bessere Ergebnisse erzielt, als die Einbeziehung der von den Diensteanbietern bereitgestellten Werte in die Berechnung ermöglicht. Die empirischen Evaluationen erfolgen anhand eines breitgefächerten, realen Feed-Datensatzes, welcher der wissenschaftlichen Gemeinschaft frei zur Verfügung gestellt wird, um den Vergleich mit neuen Algorithmen zu erleichtern

Linear-scaling Møller-Plesset Perturbation Theory for the Calculation of Electron Correlation in Large Molecules

Die Berechnung der Elektronenkorrelation mit konventionellen ab-initio-Methoden ist aufgrund des starken Anstiegs des Rechenaufwands mit der Systemgröße auf kleine Moleküle beschränkt. Die Møller-Plesset-Störungstheorie zweiter Ordnung (MP2), welche in Bezug auf den Rechenaufwand die günstigste Korrelationsmethode darstellt, zeigt bereits einen Anstieg des Rechenaufwandes mit der fünften Potenz der Systemgröße, so dass dieser bei Verdopplung der Systemgröße auf das 32-fache ansteigt. Um die Anwendbarkeit des MP2-Verfahrens auf große Moleküle zu erweitern, wurde eine linear skalierende Methode entwickelt, bei der sich der Rechenaufwand direkt proportional zur Systemgröße verhält. Grundlage ist der in den 1990er Jahren von Almlöf und Häser entwickelte Laplace- Ansatz, mit dem die Kopplung an kanonische Molekülorbitale aufgehoben werden kann. Kanonische Molekülorbitale erstrecken sich typischerweise über das gesamte Molekül und lassen somit keine Reduktion des Skalenverhaltens zu. Dagegen ermöglichen die von Natur aus lokalen Atomorbitale (AO) oder auch lokalisierte Molekülorbitale die Reduktion auf ein lineares Skalenverhalten. Die Verwendung rigoroser Integralschranken, die durch eine Kombination aus einer Cauchy-Schwarz- und einer multipolbasierten Abschätzung realisiert wurden, erlaubt eine Vorselektion signifikanter Beiträge und somit eine vollständige numerische Kontrolle der Genauigkeit. Durch eine Neuformulierung der AO-MP2-Gleichung mit Hilfe halbtransformierter Zweielektronenintegrale und die Entwicklung eines Indizierungsschemas für dünn besetzte Vierindexmatrizen konnte eine effiziente Implementierungder AO-MP2-Methode umgesetzt werden, welche Berechnungen der MP2-Energie für Systeme mit mehr als 1000 Atomen gestattet. Mit Hilfe der linear skalierenden AO-MP2-Methode konnte die Wechselwirkungsenergie eines katalytisch aktiven Ribonukleinsäuremoleküls (Ribozym) berechnet werden. Die Ursache für die katalytische Wirkung ist in der Literatur kontrovers diskutiert: Neben der Erniedrigung der Aktivierungsenergie werden eine bevorzugte Bildung eines Reaktandenkomplexes durch deren hydrophoben Charakter sowie die Bildung einer reaktiven Reaktandenkonformationen diskutiert. Die Berechnungen mit der AO-MP2-Methode zeigen eine stärkere Wechselwirkung zwischen Ribozym und Übergangszustandals zwischen Ribozym und den Reaktanden. Zudem wurde eine gute Übereinstimmung mit der experimentell beobachteten relativen Geschwindigkeitskonstanten gefunden, so dass die Ursache der katalytischen Wirkung in der Erniedrigung der Aktivierungsbarriere in der RNA-Kavität zu sein scheint. Weiterhin erlauben die Berechnungen eine genaue Aufschlüsselung der Wechselwirkungsbeiträgeeinzelner Fragmente, womit Vorhersagen zur Änderung der katalytischen Aktivität aufgrund gezielter Mutationen am Ribozym möglich werden. Zusammenfassend liefert die linear skalierende AO-MP2-Methode einen wertvollen Beitrag zur Berechnung der Korrelationsenergie großer Moleküle, deren Berücksichtigung für eine zuverlässige Beschreibung zahlreicher biochemischer Systeme essentiell ist.The calculation of electron correlation employing conventional ab-initio methods is restricted to small-sized molecules due to the strong increase of the computational effort with the molecular size. Although the Møller-Plesset second order pertubation theory (MP2) represents the most favorable correlation method, the computational effort already scales with the fifth order ofthe system size. This means that by doubling the system size the computational effort becomes 32 times as large. In order to enhance the applicability of the MP2 method onto larger molecules, a linear-scaling method was developed, whose computational effort increases directly proportional to the system size. The new formulation is based on the Laplace ansatz introduced in the 1990s by Almlöf and Häser avoid the use of canonical molecular orbitals. These canonical MOs are typically delocalized over the entire molecule and inhibit a reduction of the scaling behavior. In contrast, the use of inherently local atomic orbitals (AO) or localized molecular orbitals open the way to a linear-scaling behavior. A combination of Cauchy-Schwarz and multipole-based integral bounds allows a rigorous preselection of significant contributions, so that the numerical accuracy is fully controllable. A reformulation of the AO-MP2 equation using half-transformed two-electron integrals and the development of an indexing scheme for sparce matrices permit an efficient implementation of the linear-scaling AO-MP2 method. In this way, it is for the first time possible to calculate wavefunction-based correlation energies for systems containing more than 1000 atoms without any empirical assumptions. The new linear-scaling AO-MP2 method was employed to study the catalytic activity of an RNA molecule (ribozyme). As dispersion-type interactions play an important role in such biomolecular systems, it is crucial to take electron correlation into account for a reliable description. The question arises whether the catalytic activity is based on the lowering of the activation energy or on hydrophobic effects which favor the formation of the reactant complex. The AO-MP2 calculations show that the interaction between the ribozyme and the transition state is much stronger as the interaction between the ribozyme and the reactants. Therefore, the results suggest that the catalytic effect results from a lowering of the activation barrier of the reaction within the RNA cavity. This calculated decrease in the activation energy evoked by the interaction with the ribozyme is in agreement with the experimentally observed rate enhancement. To providea detailed understanding of the catalytic mechanism, the contributions of individual RNA fragments to the interaction energy were investigated. Overall, the linear-scaling AO-MP2 method is a valuable approach to calculate the correlation energy of large molecules. It provides an opportunity for an accurate description of dipersion-type interactions, which is crucial for many chemical and biochemical systems, as it was demonstrate by means on studies of a catalytically active RNA system