Die annähernd echtzeitfähige dynamische Simulation von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) mit dem Digitalen Zwilling ist ein zentrales Ziel des beantragten Sonderforschungsbereichs. Kernstück des Modells ist die mechanische Megastruktur, die mit der Umwelt in Wechselwirkung steht (Boden, Wind, Wellen). Aufgrund des immensen Simulationsaufwands müssen sowohl die flexiblen Komponenten der mechanischen Megastruktur wie auch die Einwirkungen der Umwelt durch reduzierte bzw. vereinfachte Modelle abgebildet werden. Diese werden anschließend zum Digitalen Zwilling integriert. Das entstehende Modell muss trotz Kombination unabhängig voneinander vereinfachter Partialmodelle die wesentlichen physikalischen Eigenschaften der OWEA qualitativ korrekt und mit hinreichender Genauigkeit abbilden, um praktisch verwertbare Simulationsergebnisse zu erhalten. Zusätzlich muss das numerische Simulationsverfahren robust und hocheffizient sein. Die Arbeitshypothese von TP B05 ist, dass aufeinander abgestimmte mathematische Ansätze und numerische Techniken aus den Gebieten Mehrkörpersimulation, Optimierung, Sattelpunktsysteme, Newton-Verfahren und Modellreduktion wesentlich dazu beitragen werden, die erforderliche numerische Effizienz und Robustheit im Digitalen Zwilling zu erreichen.

Im konkreten Fall der OWEA besteht das Gesamtmodell aus Teilprojekt Z01 aus dem mechanischen Mehrkörpermodell mit Baumtopologie, das flexibel mit dem Meeresboden gekoppelt ist und einer Fluid-Struktur-Interaktion mit Wind und Wellen unterliegt. Qualitative physikalische Eigenschaften der Mechanik sind die Erhaltung oder Dissipation von Energie, Impuls und Drehimpuls sowie ggf. die symplektische Grundstruktur. Quantitativ sind z. B. das elastische Verhalten (insbesondere Schwingungen) und die Materialbelastung wesentlich. Ziel des Teilprojekts ist es, mathematische Grundlagen und numerische Algorithmen zur strukturerhaltenden Modellreduktion und zur effizienten Simulation des reduzierten mechanischen Modells zu erforschen, sodass physikalische Eigenschaften im Digitalen Zwilling genauer als bisher abgebildet sind und in der dynamischen Simulation annähernd echtzeitfähig mit der erforderlichen numerischen Genauigkeit berechnet werden.

Konkret sollen reduzierte Modelle für die flexiblen Körper der mechanischen Megastruktur sowie für Aerodynamik und Hydrodynamik im gekoppelten Gesamtmodell entwickelt werden. Für die Simulation sollen hocheffiziente Algorithmen zur Lösung nichtlinearer und linearer Gleichungssysteme im impliziten Zeitintegrationsverfahren erforscht werden.