Grundlagen: Simulation

Autor: Dr.-Ing. Alfred Kamusella

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Einleitung

Wie in den Grundlagen zum Entwurfsprozess beschrieben, werden bei der Suche einer optimalen Lösung unterschiedliche Mittel und Methoden benutzt. Die dabei verwendeten "Modelle" sind unterschiedlichster Natur, z.B.:

• Wissen über den Objektbereich (Basis für Gedankenexperimente) mit Fachliteratur und Standards/Normen als externe Wissensspeicher
• Blockschaltbilder und Skizzen als externe Hilfsmittel für Gedankenexperimente
• Dimensionierungsformeln (Papier, Bleistift, Taschenrechner)
• Computermodelle (CAD, Finite Elemente Methode, Netzwerk-Analogien
• Versuchsmuster im Labor (Teile, Baugruppen, Gerät - reduziert auf bestimmte Aspekte: z.B. als Prototyp).

In diesem Kapitel zu den Grundlagen zur Simulation soll nun nach einer begrifflichen Klärung eine verallgemeinerte Methodik der Modellentwicklung beschrieben werden.

Modelle 
sind Ersatzobjekte, die man zur Gewinnung von Erkenntnis über ein Originalobjekt benutzt:

1. Ein Modell ist immer ein Abbild von einem "Original" (d.h. von "etwas anderem"). Bei einem "Original" kann es sich auch um ein Modell handeln!
2. Ein Modell bildet nur die Eigenschaften des Originals ab, die dem Modellbenutzer wichtig erscheinen:
   • Bestimmte Eigenschaften eines Modells werden als Eigenschaften des Originals interpretiert.
   • Es gibt immer Eigenschaften eines Modells, die keinen Bezug zum Original besitzen.
3. Ein Modell wird pragmatisch und zweckorientiert angewendet:
   • "Minimalmodell" - mit möglichst wenig Modell hinreichend viel Erkenntnis!
   • Erlaubt ist, was im Sinne des angestrebten Erkenntnisgewinns nützt.

Mathematische Modelle 
sind eine Sonderform der Modelle. Sie bilden die Eigenschaften des Originals auf ein mathematisches System ab (z.B. Lineare Algebra, Gewöhnliche Differentialgleichungen, Fuzzy-Logik):

1. Die Nutzung zum Erkenntnisgewinn ist möglich, weil Eigenschaften mathematischer Systeme als Aspekte der realen Welt interpretierbar sind.
2. Algorithmen der Computer-Algebra und der numerischen Mathematik ermöglichen die Behandlung in informationsverarbeitenden Systemen (z.B. Computer).

Simulation 
ist allgemein die Nutzung eines Modells. Naturwissenschaftlich-technische Simulation werden in Form von Modell-Experimenten durchgeführt, um Erkenntnisse über ein "Original" zu gewinnen:

• Die Fähigkeit des "Nachdenkens" über ein zu lösendes Problem auf der Grundlage des individuellen Wissens ist das wesentliche Merkmal der Gattung Mensch. Diese Art der Simulation nennt man auch Gedankenexperiment.
• Bei der Nutzung von mathematischen Modellen handelt es sich meist um Computersimulationen (außer man nutzt nur "Stift und Papier"!).
• Computersimulationen bieten die Basis, um Prozesse des Erkenntnisgewinns zu automatisieren.

Simulation im Konstruktionsprozess

Vorläufige weitere Gliederung:

• Methodik der Modellentwicklung
  • Abgrenzung von Teilsystemen
  • Definition der Teilsystem-Schnittstellen
  • Reduktion auf idealisierte Elemente
  • Zusammenstellung wesentlicher Effekte
  • Modell-Notation
• Simulation zeitkontinuierlicher Systeme
• Zeitdiskrete Ereignisse
• Lineare und nichtlineare Systeme