In der Öl- und Gasindustrie werden Tiefbohrstränge eingesetzt, um Zugänge zu untertägigen Lagerstätten zu erzeugen. Die Simulation des mechanischen Verhaltens dieser Tiefbohrstränge ist jedoch sehr zeitaufwendig. Dies kann zu hohen Kosten führen, beispielsweise durch zeitraubende Fehleranalysen. In dieser Arbeit werden daher Methoden zur Erzeugung von Minimalmodellen untersucht, die vergleichbare Ergebnisse in kürzerer Zeit liefern. Dazu wird ein nicht-lineares Finite-Balkenelement-Modell nach Ostermeyer neu aufgesetzt und erweitert. Es bildet das statische und dynamische Verhalten des Bohrstranges ab und dient als Testmodell für Verfahren zur Reduzierung der Modellgröße.
Zunächst werden projektionsbasierte Reduktionsverfahren in Form der Proper-Orthogonal-Decomposition, des Improved-Reduced-System-Verfahrens und der dynamischen Kondensation untersucht. Die Analysen zeigen, dass eine Reduktion des Bohrstrangmodells prinzipiell schlecht durchführbar ist. Dies liegt insbesondere an wechselnden Kontakten zwischen Bohrstrang und Bohrloch, die zu häufigen und aperiodisch auftretenden Stößen führen.
Als Alternative wird die phänomenologische Reduktion entwickelt, die das Bohrstrangmodell auf eine Reihe von Phänomenmodellen reduziert. Das Verfahren wird an den dynamischen Phänomenen Stick-Slip und Whirl demonstriert. Als Anwendung werden eine modellbasierte Regelung und eine Optimierung von Prozessparametern diskutiert. Die Simulationszeit der betrachteten Optimierung sinkt von einer Woche auf wenige Minuten.
In der Industrie ermöglicht die phänomenologische Reduktion über schnellere und umfangreichere Optimierungen eine effizientere Steuerung des Bohrprozesses. Schädliche Zustände können verhindert, Verschleiß und Schäden von Bohrwerkzeugen minimiert werden.
Aktualisiert: 2020-07-19
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Gegenstand der Dissertationsschrift ist die Untersuchung des dynamischen Verhaltens von
Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPMM) als mechatronisches System im Allgemeinen,
sowie einer vertikalen Positioniereinheit und deren funktions- und präzisionsbestimmender
Baugruppen im Speziellen. Dabei erfolgt die Dynamiksimulation mit Modellen auf
unterschiedlichen Abstraktionsebenen.
Minimalmodelle der NPMM dienen in Verbindung mit Asymptotischen Methoden dazu,
analytische Lösungen zur Beschreibung des stationären Verhaltens zu entwickeln. Durch den
Vergleich der analytischen Ausdrücke für die stationären Amplituden mit experimentell ermittelten
Werten wird die Bestimmung von messtechnisch schwer zugänglichen Parametern
der NPMM möglich.
Komplexe mechatronische Modelle der gesamten NPMM basieren auf der Einbindung realitätsnaher
spezifischer Teilmodelle in das Virtuelle Prototyping. Es wird das Verhalten von
Kugelbuchsenführungen, Messspiegelecken (einschließlich ihrer Lagerung über Kugel - V -
Nut - Paarungen), Gestellelementen und Antriebseinheiten aus Grob - Feintrieb - Kopplungen
mit großer Modelltiefe erfasst und analytisch / numerisch untersucht. Für die Parameteridentifikation
bei Präzisionsführungen kommt ein speziell entwickelter Reibungsprüfstand
zum Einsatz, der die genaue Analyse von Haft - Gleit - Übergängen ermöglicht. Basierend
auf grundlegenden Untersuchungen u.a. zu Reibungseinflüssen werden die Grenzen der Positionierung
aus Sicht der Dynamik diskutiert. Der in dieser Arbeit gewonnene Kenntnisstand
zur computergestützten Dynamiksimulation einer z - Achse kann auf mehrachsige Positioniersysteme
erweitert werden. Die Modellierung der o.g. Baugruppen kann als Basis für den
Aufbau einer umfassenden Modellbibliothek für das Virtuelle Prototyping dienen.
Aktualisiert: 2020-02-04
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