Innovative Optimierungsmethoden für Mehrkörpersysteme

Moderne Mehrkörpersimulationen ermöglichen es Wissenschaftlern und Industrieanwendern, das dynamische Verhalten von mechanischen Systemen zu analysieren, die zu komplex sind, um Bewegungsgleichungen aufzustellen und analytisch zu lösen. Es gibt verschiedene kommerzielle und wissenschaftliche Softwaretools für diesen Zweck, die in Bereichen wie Fahrzeugdynamik, Robotik und Biomechanik eingesetzt werden können. Mehrkörpersimulationen haben ein hohes Potenzial für komplexe Anwendungen in der Forschung und Industrie, da sie sich gut zur Lösung dynamischer Probleme mit großen Bewegungen, Rotationen, Verformungen sowie zur Optimierung und optimalen Steuerung solcher Systeme eignen. In den letzten Jahren ist die Komplexität von Modellen in der Mehrkörpersimulation erheblich gestiegen, insbesondere bei Simulationen großer Systeme, die auch flexible Körper wie komplette Fahrzeuge einschließen und somit Modelle mit einer großen Anzahl von Freiheitsgraden erzeugen. In solchen Fällen kann eine Simulation, die nur eine Bewegung des Systems für gegebene Anfangsbedingungen liefert, sogar Stunden an Rechenzeit in Anspruch nehmen. In der Optimierung von Steuerungen von Mehrkörpersystemen wird eine Zielfunktion, z.B. der Energieverbrauch oder die Zeit, minimiert. In der Forschung besteht eine zunehmende Nachfrage nach der Entwicklung effizienter und zuverlässiger Algorithmen zur Lösung solcher Probleme in der Mehrkörpersimulation. Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur Lösung von Optimalsteuerungsproblemen mit freiem Endzeitpunkt in der Mehrkörpersimulation mit Anwendungen in der Automobil- und Robotikindustrie. Im Rahmen dieses Projektes wird eine Zielfunktion betrachtet, um die zeitoptimale Trajektorie für dynamische Systeme zu berechnen. Zeitoptimale Problemstellungen treten z.B. in der Fahrzeugmechanik auf, bei der Bestimmung der minimalen Rundenzeit auf einer Rennstrecke, oder in der Robotik, wenn die Bahnkurve eines Roboters minimiert werden soll. Effiziente Optimierungsalgorithmen für modellbasiertes Design von Mehrkörpersystemen stehen im Mittelpunkt zukünftiger Technologien. Insbesondere zeitoptimale Steuerungsprobleme sind für eine Vielzahl von Anwendungen in der Ingenieurwissenschaft von großem Interesse. Dieses Projekt fördert einerseits die Grundlagenforschung im Bereich der optimalen Steuerung und ermöglicht andererseits die Anwendung von theoretischen Methoden auf komplexe, industrielle Probleme zur digitalen Transformation der klassischen Mechanik. Daher besteht die zukünftige Vision des Projekts darin, die klassische Mechanik in Form eines digitalen Tools für virtuelle Produktionsumgebungen oder Arbeiten in der Mehrkörpersimulation anzuwenden, beispielsweise für intelligente Fahrzeuge oder Roboter.