MAECOsim
Um dem immer größer werdenden Bedarf an Vorhersagegenauigkeit im hochkomplexen Bereich der Hubschraubersimulation gerecht zu werden, entwickelt das Institut für Flugsystemtechnik des DLR gemeinsam mit dem Institut für Softwaretechnologie ein neues Framework für Low- und Medium-Fidelity-Simulationen von Drehflüglern.
Die Codes werden hierbei als Comprehensive Codes bezeichnet, weil sie eine Vielzahl von Disziplinen umfassen. Einzelne Flugzeugkomponenten oder auch nur bestimmte Aspekte dieser Komponenten werden mit sehr spezialisierten numerischen Modellen beschrieben, die groß sein können oder nur wenige Zeilen Code umfassen. Andererseits können auch Modelle verwendet werden, die mehrere Flugzeugkomponenten in einer bestimmten Disziplin umfassen. Darüber hinaus ist ein breites Spektrum an Genauigkeit erforderlich, um verschiedene Simulationsziele wie konzeptionelle und vorläufige Entwürfe, Flugmechanik, Echtzeit-Flugsimulatoren, Kopplung mit High-Fidelity-Methoden und detaillierte aeromechanische Simulation zu unterstützen.
Diese einzigartigen Anforderungen erfordern ein extrem vielseitiges Rahmenwerk, das gleichzeitig einen hohen Grad an Spezialisierung bei der Konfiguration, Berechnung und den Analyseverfahren ermöglicht. Um diesen Anforderungen auf moderne, zukunftssichere Weise gerecht zu werden und die Grenzen aktueller umfassender Drehflügler-Simulationen zu erweitern, wird MAECOsim (Multibody – Aeromechanics – Comprehensive - Simulation; ehemalig: „VAST“) entwickelt.
Neben anderen Anwendungsbereichen wird MAECOsim als rechnerisches Rückgrat einer integrierten Entwurfs- und Optimierungskette für Drehflügler entwickelt. Daraus ergibt sich der modulare und parametrische Charakter des Codes.
Entwicklung
Die Entwicklung von MAECOsim begann im Juni 2016 im Rahmen des DLR-Projekts VicToria und wird unter anderem im Rahmen des LuFo-Projekts eVOLve und des DLR-Projekts UrbanRescue fortgesetzt. Viele der genannten Anwendungsbereiche werden erst in Zukunft zur Verfügung stehen. Derzeit sind die implementierten Modelle eher im Low-Fidelity-Bereich angesiedelt, zum Beispiel in der Flugmechanik im Vorentwurf. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich die flexiblen Strukturmodelle noch in der Entwicklung befinden.
Was MAECOsim zu einem besonders leistungsfähigen, umfassenden Code macht, ist die Verwendung echter Mehrkörpersimulationen für die mechanische Struktur. Dadurch ist der Code für praktisch jede Konfiguration in jedem Betriebszustand geeignet.
Architektur
MAECOsim ist ein Multiphysik- und Multimodell-Simulationsprogramm mit einem sehr modularen und generischen Ansatz. Die Architektur ist streng zwischen dem Simulationsrahmen und der eigentlichen Implementierung der Physik unterteilt. MAECOsim wurde für aeromechanische Berechnungen von Hubschraubern entwickelt, aber der Simulationskern, die Benutzeroberfläche, die Konfiguration, die IO (Input/Output) - kurz gesagt, das gesamte Simulationsframework wurde so entwickelt, dass es für jedes numerische Simulationsgebiet verwendet werden kann, das eine Multi-Modell-Simulation erfordert. Abgesehen von den physikalischen Modellen sind im Framework Aufgaben implementiert, die sowohl völlig generisch sind, wie die instationäre Lösung über die Zeit, als auch spezifisch für den Anwendungsfall, wie die Freiflugtrimmung eines Hubschraubers.
Die Hauptidee des Entwurfs besteht darin, ein Simulationsproblem in verschiedene Disziplinen aufzuteilen und deren jeweilige Teilprobleme in separaten Modellen zu modellieren, die dann miteinander verbunden und simuliert werden.
Alle Teilmodelle werden in einer generischen Zustandsraumform mit Eingabe, Ausgabe und Zuständen sowie Dynamik- und Ausgabegleichungen formuliert.
MAECOsim ist ein neues Framework, aber viele seiner Modelle stammen aus anderen Simulationsprogrammen des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik, zum Beispiel S4. Fast der gesamte Code wurde jedoch komplett neu geschrieben, um den Anforderungen von MAECOsim und den aktuellen Standards der Softwareentwicklung gerecht zu werden. Der Code wird mit einem starken Fokus auf Unit- und Systemtests entwickelt, und seine Integrität wird durch ein kontinuierliches Integrations-Framework sichergestellt. Die Testmatrix für die Validierung/Verifizierung wird ständig verbessert und automatisch neu berechnet, so dass der aktuelle Stand der Genauigkeit immer verfügbar ist.
Haftungsausschluss:
MAECOsim ist ein Forschungscode. Es kann keine Garantie für Vollständigkeit oder Korrektheit gegeben werden. Außerdem befindet er sich in ständiger Entwicklung. Jede Version von MAECOsim ist als Pre-Alpha zu betrachten. Das bedeutet, dass die Benutzer höchstwahrscheinlich Unannehmlichkeiten und Fehler entdecken werden, wenn sie diesen Code benutzen. Außerdem fehlen noch viele Funktionen, die bei aeromechanischen Codes selbstverständlich sein sollten. Auch die Dokumentation ist bei weitem nicht vollständig. Der Vorteil dieser Tatsache ist, dass Fehlerberichte und (zumindest kleinere) Anforderungen an die Benutzerfreundlichkeit sehr wahrscheinlich mit geringer Verzögerung korrigiert/implementiert werden. Das MAECOsim-Team ist bestrebt, den Code jeden Tag besser zu machen. Sagen Sie uns also, was Sie brauchen, und wir werden unser Bestes tun, um es zu realisieren!
MAECOsim nutzen
Wenn Sie wissen möchten, wie Sie MAECOsim für Ihre eigene Forschung nutzen können oder weitere Fragen haben, kontaktieren Sie uns gerne. Nutzen Sie dafür das Kontaktformular am Ende der Seite.
Veröffentlichungen
- Michels, Benedikt und Seelemeyer, Philipp (2024) VAST as a generic, modular aeromechanics code for wind turbine simulation. Journal of Physics: Conference Series, 2767 (5), -052023. Institute of Physics (IOP) Publishing. doi: 10.1088/1742-6596/2767/5/052023. ISSN 1742-6588.
- F. Weiss, „Drivetrain Influence on the Lead-Lag Motion of Helicopter Rotors“, presented at the 34th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, Florence, Italy, 9. Sep 2024.
- F. Weiss, „Prediction of Structural Rotor Loads: When to Consider Drivetrain Dynamics?”, in Vertical Flight Society’s 80th Annual Forum & Technology Display, Montréal, Québec, Canada, Mai 2024.
- F. Weiss und J. Merlis, „Beam modeling in a floating frame of reference for torsion dynamics of helicopter rotor blades“, Multibody Syst Dyn, Apr. 2024, doi: 10.1007/s11044-024-09986-0.
- F. Weiß, „Einfluss des Triebstrangs auf die Schwenkbewegung von Hubschrauberrotoren“, DGLR-Magazin „Luft- und Raumfahrt“, Nr. 2/2024, S. 42–45, April 2024.
- R. K. Majeti, F. Becker, und F. Weiss, „Cross-Sectional Sizing of Rotor Blades with Dynamics and Strength Constraints“, in Vertical Flight Society’s 6th Decennial Aeromechanics Specialists’ Conference, Santa Clara, CA, USA, Feb. 2024.
- F. Weiß, „Einfluss des Triebstrangs auf die Schwenkbewegung von Hubschrauberrotoren“, in Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2023, Stuttgart, Germany, Sep 2023, doi: 10.25967/610514.
- F. Weiss und J. Merlis, „Beam Modeling in a Floating Frame of Reference for Torsion Dynamics of Helicopter Rotor Blades“, in ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics, Lisbon, Portugal, July 2023.
- F. A. Weiß, „Einfluss des Triebstrangs auf die Schwenkbewegung von Hubschrauberrotoren“, Dissertation, TU Braunschweig, 2022. doi: 10.57676/W1KC-SG83.
- F. Weiss, J. Merlis, R. Lojewski, J. Hofmann, und M. Roehrig-Zoellner, „Rotor Blade Modeling in a Helicopter Multi Body Simulation Based on the Floating Frame of Reference Formulation“, in 48th European Rotorcraft Forum, Winterthur, Switzerland, Sep. 2022.
- Hofmann, Johannes und Mindt, Maximilian und Weiß, Felix Armin (2021) AERODYNAMIC AND STRUCTURAL MODELING IN THE ROTORCRAFT MULTI-PHYSICS SIMULATION VAST. International Council of the Aeronautical Sciences. 32nd Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, 06.-11. Sep. 2021, Shanghai, China. ISBN 978-3-932182-91-4.
- Hofmann, Johannes und Weiß, Felix Armin und Mindt, Maximilian (2021) A New Approach to Comprehensive Rotorcraft Aeromechanics Simulation. 77th Annual Vertical Flight Society Forum and Technology Display: The Future of Vertical Flight, FORUM 11.-13. Mai 2021, Palm Beach, Florida, USA. ISBN 978-171383001-6.
- Hofmann, Johannes und Kontak, Max und Mindt, Maximilian und Weiß, Felix Armin (2020) VAST - VERSATILE AEROMECHANICS SIMULATION PLATFORM FOR HELICOPTERS. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2020, 1.-3.9.2020, Aachen.
- Kontak, Max und Röhrig-Zöllner, Melven und Hofmann, Johannes und Weiß, Felix Armin (2019) Automatic Differentiation in Multibody Helicopter Simulation. In: Proceedings of the 9th ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics, Multibody Dynamics 15.-18. Juli 2019, Duisburg, Deutschland. 53, Seiten 534-542. Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-030-23132-3_64. ISBN 978-3-030-23131-6. ISSN 1871-3033.
- Weiss, Felix; Kessler, Christoph: Drivetrain Influence on the Blade Loads of Hingeless Helicopter Rotors. In: VFS 75th Annual Forum. Philadelphia, Pennsylvania, USA, Mai 2019
- Weiss, Felix; Kessler, Christoph: Load prediction of hingeless helicopter rotors including drivetrain dynamics. In: CEAS Aeronautical Journal 12 (2021), Nr. 2, S. 215–231
- Kohlwey, E., Röhrig-Zöllner, M. Half-Explicit Exponential Runge–Kutta Methods for Index-1 DAEs in Helicopter Simulation. Math.Comput.Sci. 13, 341–365 (2019). https://doi.org/10.1007/s11786-019-00400-z
- Hofmann, Johannes; Roehrig-Zoellner, Melven; Weiss, Felix; Lojewski, Reinhard; Rieser, Jasper; Mindt, Maximilian; Gatter, Alexander; Klitz, Margrit; Schmierer, Lukas; Thangavel, Sakthivel: VAST - Flexible Aeromechanics Simulation Platform for Helicopters. Präsentation auf dem 67. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress. Friedrichshafen, Deutschland, September 2018