Entwicklung von Windkraftanlagen mit FE-Analysen und Mehrkörpersimulation

Zwei Methoden – ein Ergebnis

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In der Windenergiebranche finden sich Entwickler und Hersteller in einem Markt wieder, der durch zunehmende Internationalisierung und steigenden Konkurrenzdruck geprägt ist. Einer der wichtigsten Grundsätze ist daher, Entwicklungszeiten zu reduzieren und Kosten zu senken. Das gelingt nur, wenn neue und innovative Technologien in die bestehenden Produktentwicklungen integriert werden.

exklusiv in kem Dieser Beitrag stammt von der MSC.Software GmbH, München

Zentraler Punkt sind hier moderne Simulationsmethoden. Windkraftanlagen sind komplexe mechanische Systeme. Diese können am effizientesten mit der Finite Elemente (FE-) Analyse und Mehrkörpersimulation berechnet werden. Bei FE-Analysen können Hochleistungsrechner heutzutage problemlos Modelle mit mehreren Millionen Knoten simulieren. Je höher die Anzahl und Qualität der finiten Elemente, desto genauer werden die numerischen Prognosen. Aufgrund der notwendigen Modellgröße und der hohen Anzahl von Berechnungen, stößt man bei Windkraftanlagen bei detaillierten Analysen auf Systemebene allerdings schnell an die Grenzen des wirtschaftlich Machbaren. Bei Systemsimulationen mit Mehrkörpersystemen sind die Modelle dahingegen mit einigen hundert Freiheitsgraden vergleichsweise klein und benötigen entsprechend wenig Rechenzeit. Daher müssen für eine effiziente Entwicklung beide Disziplinen gekoppelt werden.
Strukturanalyse und Mehrkörpersimulation
Ein numerisches Berechnungstool, das FE-Analysen und Mehrkörpersimulation vereint, ist Adwimo von der Firma MSC Software. Das Programm überträgt die Detailgenauigkeit aus der Strukturanalyse in die schnelle, dynamische, transiente Mehrkörpersimulation auf Systemebene.
Adwimo ist eine Lösung, die speziell auf die Bedürfnisse der Windenergiebranche zugeschnitten ist. Adwimo, kurz für Advanced Wind Turbine Modeling, basiert auf dem Mehrkörpersimulationssystem Adams.
Damit können bei einer Windkraftanlage Turm, Getriebe, Rotor und Rotorblätter abgebildet werden.
Idealisierte kinematische Gelenke definieren dabei die Beweglichkeit der Körper zueinander. Vor allem bei großen Anlagen genügt aber die Definition über starre Körper nicht. Zu berücksichtigen sind auch die strukturelle Elastizität und Flexibilität. Durch die Integration von sogenannten flexiblen Körpern, kombiniert Adwimo deshalb über die Methode der Modalen Reduktion FE-Analysen und Mehrkörperdynamik. Besonders vorteilhaft ist bei dieser Verfahrensweise die hohe Skalierbarkeit der Berechnungsmodelle. Je nach Bedarf können kritische Bereiche, wie etwa das Getriebe, hoch detailliert in einer 3D-Darstellung mit flexibler Verzahnung abgebildet werden.
Auswahl der Komponentenberechnung
Adwimo berücksichtigt alle wichtigen Komponenten einer Windkraftanlage wie Turm, Rotorblätter, Nabe, Maschinenträger, Lager, Getriebe, Reglerverhalten, Windlasten oder Wellenlast. Anwender können sowohl ein Komplettmodell der gesamten Windkraftanlage als auch einzelne Komponenten erstellen und analysieren. Adwimo beschreibt nicht nur einzelne Elemente, sondern erläutert auch das System- und Komponentenverhalten. Das Programm kann alle relevanten Simulationsparameter an unterschiedliche Situationen anpassen, beispielsweise an normale oder extreme Windstärken. Ingenieure können so die verschiedensten Eigenschaften wie Haltbarkeit und Nutzungsdauer abschätzen und problemlos multiaxiale Ermüdung, Schweiß- und Schwingungsermüdung, Spannung, Dehnung oder Temperaturbedingungen analysieren.
Bei Windkraftanlagen muss der Modellierung und Belastung von Rotor und Rotorblättern sowie Getriebe und Lagern besondere Beachtung geschenkt werden. Die über den Rotor eingeleiteten Querkräfte können erhebliche Belastungen sowohl für die Lager als auch die Getriebeverzahnung bedeuten. Um diese Effekte genau zu untersuchen, ist ein entsprechend detailliertes Simulationsmodell notwendig. In Adams beziehungsweise Adwimo werden dafür unterschiedliche Detaillierungsstufen angeboten. So kann man auf Systemebene mit idealisierten Randbedingungen und analytischen Ansätzen arbeiten. Diese erlauben es, die Belastungen der Wellen und Lager sowie das generelle Verhalten unter Berücksichtigung des Zahnradspiels zu untersuchen.
Hilfe bei Zertifizierung
Die Software unterstützt Ingenieure aber nicht nur in allen Entwurfsphasen einer Windkraftanlage, sondern erleichtert auch die Zertifizierung. Um sicherzustellen, dass alle nationalen und internationalen Normen sowie alle technischen Anforderungen erfüllt sind, werden heute alle Windkraftanlagen zertifiziert. Für die Zertifizierung müssen die Hersteller den akkreditierten Zertifizierungsstellen wie der Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH (GL Wind) oder TÜV NORD umfangreiches Material bereitstellen. Dieses Material umfasst nicht nur Konstruktionsunterlagen und technische Kalkulationen, sondern auch detaillierte Simulationsmodelle. Im Zertifizierungsprozess wird die Auslegung der kompletten Windenergieanlage inklusive der Lastannahmen, des Sicherheitskonzepts und aller Komponenten wie Turm, Blatt oder Maschine geprüft. Die Hersteller müssen deshalb vorab umfangreiche Simulationen durchführen und Lastfälle berechnen. Oft sind Simulationen mit mehr als 1000 Rechenläufen notwendig.
Um diesen Zertifizierungsprozess zu erleichtern, hat MSC Software einen Load & Analysis Manager in Adwimo integriert. Dieser kann alle Simulationen automatisieren, die für die Zertifizierung benötigt werden. Der Anwender wählt mit dem Load & Analysis Manager aus, nach welchen Richtlinien die Windkraftturbine zertifiziert werden soll. Das Programm setzt diese Vorgaben in Lastfälle um, modifiziert automatisch das Turbinenmodell entsprechend der jeweiligen Lastfallsituation, stößt die Simulationen an und extrahiert zertifizierungsrelevante Ergebnisse.
Fazit
Die Natur liefert den Treibstoff für Windenergieanlagen gratis. Geld lässt sich mit den Anlagen aber nur verdienen, wenn die Anlagen mindestens 20 Jahre lang effizient arbeiten und vor allem störungsfrei laufen. Das erfordert seitens der Hersteller intensive und sorgfältige Entwicklungsarbeit, bei der verschiedene Anlagenkonfigurationen unter allen erdenklichen Lastfällen und Einsatzszenarien getestet werden. Mit modernen Programmen wie Adwimo können Hersteller von Windkraftanlagen nicht nur das endgültige Gesamtsystem simulieren, sondern auch jedes einzelne Bauteil im Detail analysieren und im Zusammenhang mit den Projektanforderungen betrachten, ohne einen realen Prototyp bauen zu müssen.
MSC.Software, Tel.: 089 431987-486,
E-Mail: syllvett.tsialos@
mscsoftware.com
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