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Semi-implizite Co-Simulationsverfahren

Lu, Daixing :
Semi-implizite Co-Simulationsverfahren.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Semi-implizite Co-Simulationsverfahren
Language: German
Abstract:

Kurzfassung

Co-Simulationsverfahren werden verwendet, um zwei oder mehrere Solver im Zeitbereich zu koppeln. Grundsätzlich können zwei Anwendungsfelder unterschieden werden. Einerseits wird Solver-Kopplung verwendet, um multidiziplinäre bzw. multiphysikalische Probleme zu lösen. Dabei werden Submodelle in Expertentools modelliert. Über geeignete Schnittstellen wird das Gesamtmodell dann mittels problemangepasster Kopplungsalgorithmen simuliert. Andererseits können Co-Simulationsansätze verwendet werden, um große (monodisziplinäre) Modelle im Zeitbereich zu parallelisieren.

In dieser Arbeit werden semi-implizite Co-Simulationsmethoden vorgestellt und hinsichtlich Stabilität und Konvergenz analysiert. Dabei werden sowohl Verfahren für die Kopplung über Konstitutivgleichungen als auch Kopplungstechniken mittels algebraischer Bindungsgleichungen präsentiert. Die entwickelten Verfahren basieren alle auf einem Prädiktor/Korrektor-Ansatz, wobei im Rahmen dieser Arbeit aus Gründen der Rechenzeiteffizienz nur ein Korrektor-Schritt realisiert wird. Somit können die dargestellten Verfahren als semi-implizite Kopplungsmethoden angesehen werden.

Im Vergleich zu expliziten Methoden weisen semi-implizite Kopplungsverfahren einen deutlich höheren Implementierungsaufwand auf. Zum einen müssen Jacobi-Matrizen für den Korrektor-Schritt berechnet werden, zum anderen muss jeder Makroschritt einmal wiederholt werden. Der große Vorteil der vorgestellten Kopplungsalgorithmen liegt in der deutlich verbesserten numerischen Stabilität.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Abstract Co-simulation methods are used to couple two or more solver in the time domain. Basically, two fields of application can be distinguished. Firstly, co-simulation is used in order to couple different solvers in time domain to analyze multidisciplinary systems. Secondly, co-simulation methods may be employed to parallelize a (monodisciplinary) dynamic model. Applying a co-simulation approach, the overall system is decomposed into two (or more) subsystems. The coupling between the subsystems is defined by appropriate coupling variables, i.e. by introducing appropriate subsystem input and output variables. Furthermore, a communication-time grid has to be defined. Between the communication-time points (macro-time points T_0,T_1,…,T_N), the subsystems integrate independently. The coupling variables are only exchanged at the macro-time points between the subsystems. For the subsystem integration between the macro-time points, the coupling variables have to be approximated using appropriate extrapolation/interpolation techniques. In this work semi-implicit co-simulation methods are presented and analyzed in terms of stability and convergence. Both procedures for coupling via constitutive equations and algebraic equations are presented. The developed methods are all based on a predictor / corrector approach, which in this work for the purpose of computation time efficiency only one corrector step is realized. Thus, the method can be regarded as semi-implicit coupling methods. Compared to explicit methods have semi-implicit coupling method a significantly higher implementation effort. On the one hand Jacobians in each macro step must be calculated for the corrector step, on the other hand the subsystem integration has to be repeated once. The great advantage of the proposed co-simulation methods lies in the significantly improved numerical stability.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Applied Dynamics (AD)
Date Deposited: 11 Sep 2015 12:05
Last Modified: 11 Sep 2015 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-49483
Referees: Schweizer, Prof. Bernhard and Eberhard, Prof. Peter
Refereed: 1 September 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4948
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