Digitaler Zwilling für Krane: Simulationsplattform mit Hochschulen
Digitaler Zwilling für Krane: Entwicklungszeit um 40 % reduziert. Die von Kelude Schwerindustrie gemeinsam mit Hochschulen entwickelte Simulationsplattform auf Basis eines Digitalen Zwillings hat die Phasenabnahme bestanden und verkürzt die Entwicklungszyklen neuer Produkte im Schnitt um 40 %.
Die von Kelude Schwerindustrie zusammen mit Universitäten entwickelte Simulationsplattform auf Basis eines Digitalen Zwillings hat die Phasenabnahme bestanden und verkürzt die Entwicklungszyklen neuer Produkte im Schnitt um 40 %. Die Plattform integriert 3D-Modellierung, Echtzeit-Datenerfassung und Multiphysik-Simulation. In einer virtuellen Umgebung lassen sich Leistungsbewertung, Betriebsszenarien und Fehlersimulationen für komplette Krane durchführen. Der traditionelle Entwicklungsprozess vom Entwurf bis zum physischen Prototyp wird so von iterativen physischen Tests auf eine virtuelle Validierung umgestellt.
Plattformkonzept und technische Architektur
Die Simulationsplattform für den Digitalen Zwilling wurde von Kelude Schwerindustrie zusammen mit der Zhengzhou-Universität und der Henan-Universität für Wissenschaft und Technologie entwickelt. Die Entwicklung und Bereitstellung von Version V1.0 dauerte 14 Monate. Die Plattform ist in vier Schichten aufgebaut: Geräteschicht, Datenschicht, Modellschicht und Anwendungsschicht. Die Geräteschicht nutzt ein Dual-Protokoll-Gateway mit OPC-UA-Protokoll und MQTT für die Echtzeit-Datenschnittstelle zur KRUD-IoT-Plattform. Unterstützt wird die Datenerfassung gängiger Steuerungen wie Siemens S7-1200/1500, Mitsubishi FX-Serie und Delta Electronics. Die Datenschicht basiert auf der Open-Source-Zeitreihendatenbank TDengine und unterstützt über 100.000 Datenschreibvorgänge pro Sekunde sowie eine Abfrageantwortzeit von 15 Sekunden. Die Daten der letzten sechs Monate werden vollständig gespeichert. Die Modellschicht umfasst drei Teilmodule: 3D-Geometriemodell, Mehrkörperdynamikmodell und Finite-Elemente-Analyse. Durch Datenzuordnung zwischen den Modellen wird eine gekoppelte Multiphysik-Simulation von Strukturmechanik, Kinematik und Thermodynamik ermöglicht. Die Anwendungsschicht bietet Entwicklungsingenieuren vier Kernfunktionen: virtueller Prototypentest, Betriebssimulation, Fehlervorhersage und Leistungsbewertung.
3D-Modellierung und parametrisches Design
Die Plattform enthält eine parametrische 3D-Modellbibliothek aller 12 Hauptproduktserien von Kelude Schwerindustrie, darunter QD-Brückenkran, QZ-Greiferbrückenkran, MG-Portalkran und MH-Einträger-Portalkran. Bei der Konstruktion eines neuen Produkts wählt der Ingenieur den Produkttyp und gibt Kernparameter wie Tragfähigkeit, Spannweite, Hubhöhe und Triebwerksgruppe ein. Die Plattform generiert automatisch ein vollständiges 3D-Montagemodell aus der parametrischen Vorlage, einschließlich Hauptträger, Kopfträger, Katzfahrwerkrahmen, Hubwerk und elektrischem Steuerschrank. Die parametrische Modellierung wurde über die SolidWorks-API realisiert. Die modellgetriebene Generierungszeit verkürzt sich von 2–3 Tagen bei manueller Konstruktion auf weniger als 2 Stunden. Die Modellbibliothek unterstützt kundenspezifische parametrische Konfigurationen. Techniker können Bauteilabmessungen und Materialparameter basierend auf den Vorlagen für Sonderanfertigungen anpassen.
Multiphysik-Simulation
Das Simulationsmodul integriert einen Löser für die Finite-Elemente-Analyse und unterstützt Strukturstatik, Modalanalyse und Ermüdungslebensdauerbewertung von Kranen. Die Statikberechnung ermittelt Spannungs- und Verformungsverteilung des Hauptträgers unter Volllast, Schräglast und Windlast, identifiziert Spannungskonzentrationen automatisch und gibt Optimierungsempfehlungen. Die Modalanalyse berechnet die ersten sechs Eigenfrequenzen und Schwingungsformen der gesamten Maschine. Ein Abgleich mit den Betriebsfrequenzen von Hubwerk und Laufkatze erfolgt, um Resonanzrisiken vorherzusagen. Die Ermüdungslebensdauerbewertung basiert auf der Wöhler-Kurve und der linearen Schadensakkumulationshypothese nach Miner. Anhand von Lastkollektiven aus realen Betriebsbedingungen wird die Ermüdungslebensdauer des Hauptträgers und kritischer Schweißnähte prognostiziert. Die Validierung anhand eines 20-t-MG-Portalkrans zeigte: Die Abweichung zwischen Simulation und Messdaten des physischen Prototyps betrug für die maximale Durchbiegung in der Mitte der Spannweite weniger als 3 % und für die maximale Vergleichsspannung des Materials weniger als 5 %. Dies bestätigt die Genauigkeit des Simulationsmodells.
Digitaler Zwilling – Abbildung in Echtzeit
Die Funktion zur Abbildung des Digitalen Zwillings verknüpft Echtzeit-Betriebsdaten von Anlagen im Feld dynamisch mit dem 3D-Modell. Die Plattform erfasst über das OPC-UA-Protokoll von der SPS-Steuerung 32 Betriebsparameter, darunter Hubhöhe, Katzposition, Kranbrückenposition, Hubgeschwindigkeit, Katzfahrgeschwindigkeit, Fahrgeschwindigkeit, Motorstrom, Motortemperatur, Bremsenstatus und Endschalterstatus. Der Erfassungszyklus beträgt 100 ms. Das 3D-Modell steuert die Bewegungen der Mechanismen basierend auf den Echtzeitdaten und bildet den tatsächlichen Betriebszustand in der virtuellen Umgebung synchron ab. Dies ermöglicht eine dreidimensionale, visuelle Überwachung des Betriebs. Die Ende-zu-Ende-Latenz der Zwillingsabbildung liegt unter 500 ms und erreicht damit nahezu Echtzeitfähigkeit. Ingenieure können historische Bewegungsabläufe für beliebige Zeiträume in der Zwillingsumgebung wiedergeben, um Zustandsänderungen vor und nach anomalen Ereignissen zu analysieren und die Störungsursache zu ermitteln.
Betriebssimulation und Fehlervorhersage
Die Plattform unterstützt kundenspezifische Betriebssimulationen. Ingenieure können verschiedene Betriebsparameter in der virtuellen Umgebung definieren, um das Verhalten der Maschine in unterschiedlichen Einsatzszenarien zu simulieren. Einstellbare Parameter sind Last (Leerlauf, Teillast, Volllast, Überlast – vier Stufen), Fahrgeschwindigkeit (niedrig, mittel, hoch – drei Stufen), Umgebungstemperatur (-20 °C bis 50 °C) und Windgeschwindigkeit (0–20 m/s). Die Fehlervorhersage kann 12 häufige Störungsszenarien simulieren, darunter Versagen der Hubwerksbremse, Überstromstörung des Frequenzumrichters, Ausfall des Endschalters, Drahtbruch im Drahtseil und Klemmen der Energiekette. Die Folgen und Folgeerscheinungen für den Maschinenzustand werden vorab simuliert. Die Ergebnisse werden als Zeitreihenanimation und als Datenanalysebericht ausgegeben. Dies unterstützt das Designteam bei der Bewertung der Wirksamkeit von Gegenmaßnahmen bereits in der Entwicklungsphase. Die Plattform wurde kürzlich bei der Konstruktionsüberprüfung eines KPC-Elektro-Plattformwagens eingesetzt. Drei Fehlerszenarien wurden simuliert, wodurch ein durch Bremsungsverzögerung verursachtes Sicherheitsrisiko frühzeitig erkannt und behoben werden konnte.
Verkürzung der Entwicklungszeit
Seit der Inbetriebnahme der Simulationsplattform hat sich die Effizienz der Produktentwicklung deutlich verbessert. Am Beispiel eines neu konstruierten MH-Einträger-Portalkrans zeigt sich der Unterschied: Der traditionelle Prozess umfasste Konzeptplanung (5 Tage), Detaillierung (8 Tage), Zeichnungsprüfung (3 Tage), Prototypenbau (18 Tage), Prototypentest (5 Tage) und Konstruktionsänderungen (3 Tage) – insgesamt etwa 42 Tage. Mit der Digitalen-Zwilling-Plattform können Konzept- und Detaillierungsphase parallel virtuell validiert werden. Konstruktionsfehler werden bereits am Computer erkannt und korrigiert. Die Anzahl der physischen Prototypen reduziert sich auf 1 (bisher 2–3 Iterationen). Die Gesamtzeit verkürzt sich auf 26 Tage, was einer Ersparnis von etwa 40 % der Entwicklungszeit entspricht. Nach Abschluss der Produktfreigabe können die Simulationsdaten direkt für die Erstellung der Betriebsanleitung und der Bediener-Schulung verwendet werden. Dies verkürzt zusätzlich die Zeit für die Erstellung der Begleitdokumentation nach der Markteinführung.
Kollaborative Designplattform
Die Plattform bietet auch Funktionen für kollaboratives Design. Mehrere Entwicklungsteams an verschiedenen Standorten können Produktkonzepte in einer gemeinsamen virtuellen Umgebung gemeinsam überprüfen. Die Disziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Fertigungstechnik können gleichzeitig am selben digitalen Prototypen arbeiten. Über Modellmarkierungen und Online-Kommentare erfolgt die fachübergreifende Kommunikation und die Erkennung von Designkonflikten. Änderungsvorschläge aus der gemeinsamen Überprüfung werden automatisch den entsprechenden Bauteilen und Konstruktionsparametern zugeordnet. Dadurch entsteht ein rückverfolgbarer Änderungsverlauf. Diese Funktion wurde in einem Projekt für einen nicht standardisierten Portalkran validiert, das Kelude Schwerindustrie gemeinsam mit der Zhengzhou-Universität durchführte. Die teams an beiden Standorten schlossen die Designabstimmung und -überprüfung in 6 Arbeitstagen ab; bisher waren dafür 14 Tage Präsenzarbeit erforderlich.
Ausblick und Weiterentwicklung
Version V2.0 der Simulationsplattform befindet sich in der Planungsphase und soll im ersten Halbjahr 2027 veröffentlicht werden. Die Hauptziele für V2.0 sind: Erstens die Erweiterung um eine Strömungssimulation (CFD), um die Windlastverteilung und die Stabilität von Kranen unter starken Windbedingungen zu berechnen und zu bewerten. Damit soll die Lücke in der Windlastanalyse geschlossen werden. Zweitens die Einführung von maschinell lernenden Ersatzmodellen (Surrogatmodellen). Durch das Training neuronaler Netze sollen zeitintensive Finite-Elemente-Berechnungen teilweise ersetzt werden. Die Rechenzeit für eine einzelne Simulation bei Vergleichsanalysen soll so von Stunden auf Minuten reduziert werden. Drittens die Ausweitung des Digitalen Zwillings von der Entwicklungsphase auf die Betriebsphase. Ziel ist ein Lebenszyklus-Digitaler Zwilling für ausgelieferte Anlagen beim Kunden. Auf Basis der Betriebsdaten sollen ein kontinuierlicher Zustandsbewertungsservice und Wartungsempfehlungen angeboten werden.
Häufige Fragen (FAQ)
F: Was unterscheidet die Digital-Twin-Plattform von Kelude Schwerindustrie von allgemeiner Digital-Twin-Software?
F: Wie groß ist die Abweichung zwischen den Simulationsergebnissen des Digitalen Zwillings und realen physikalischen Tests?
A: Nach mehreren Vergleichsvalidierungen liegt die Abweichung der Plattform bei der Strukturmechanik-Simulation unter 5 %. Die Abweichungen resultieren hauptsächlich aus idealisierten Annahmen der Materialeigenschaften (der Elastizitätsmodul von realem Stahl weist eine Chargenstreuung von ±3 % auf) sowie aus vereinfachten Randbedingungen (die Steifigkeit des realen Montagefundaments entspricht nicht vollständig einer idealen starren Befestigung). Die Plattform kennzeichnet in den Simulationsergebnissen eindeutig das Konfidenzintervall jedes Ausgabeparameters, sodass Ingenieure die Zuverlässigkeit der Ergebnisse anhand dieser Intervalle bewerten können. Für Simulationsergebnisse kritischer Sicherheitskennwerte (wie maximale Spannung, Mindestsicherheitsfaktor) wird empfohlen, eine Sicherheitsmarge von mindestens dem 1,5-fachen einzuhalten.
F: Unterstützt die Digitaler-Zwilling-Plattform auch Wartung und Umbau bestehender Produkte?
A: Ja. Die Plattform ermöglicht die Erstellung eines Digitaler-Zwilling-Modells durch Import der Konstruktionsparameter und Betriebsdaten bestehender Produkte. Für ältere Produkte können Ingenieure in der Zwillingumgebung verschiedene Umbaukonzepte simulieren und die optimale Lösung auswählen, bevor sie vor Ort umgesetzt wird. In einem konkreten Umbauprojekt zur Erhöhung der Tragfähigkeit eines vorhandenen Portalkrans vom MH-Typ (Aufrüstung von 10 t auf 16 t) wurden zunächst die Wirkung der Hauptträger-Verstärkung und die Upgrade-Lösung des Steuerungssystems auf der Digitaler-Zwilling-Plattform validiert. Erst nachdem Spannung und Durchbiegung des Hauptträgers als sicher bestätigt wurden, erfolgte die Montage vor Ort – so konnte das Risiko von Nacharbeiten durch unzureichend bewertete Umbaukonzepte vermieden werden.
F: Können die Daten der Digitaler-Zwilling-Plattform als Grundlage für die Produktzertifizierung dienen?
A: Die Simulationsergebnisse des Digitalen Zwillings dienen derzeit primär als Referenz für die interne Entwicklungsvalidierung und ersetzen weder die Typprüfung noch die Überwachungsprüfung von Spezialausrüstung. Gemäß den Anforderungen der TSG Q0002 „Regeln für die Typprüfung von Hebezeugen" muss ein neues Produkt die Typprüfung an einem physischen Prototyp bestehen, bevor die Fertigungslizenz erteilt wird. Der Wert des Digitalen Zwillings liegt darin, die Anzahl der Iterationen physischer Prototypen erheblich zu reduzieren – Konstruktionsprobleme werden zunächst in der virtuellen Umgebung vollständig aufgedeckt, bevor der Prototyp gefertigt wird. Dadurch besteht der physische Prototyp die Typprüfung beim ersten Versuch. Zwei neue Produkte, deren Konstruktion über die Digitaler-Zwilling-Plattform optimiert wurde, haben die Typprüfung bereits beim ersten Versuch bestanden – ohne erneute Einreichung zur Prüfung.
