Simulationssoftware ermöglicht Aussagen über die Betriebsfestigkeit Mögliche Anrissstellen richtig vorhergesagt - Quality Engineering

Simulationssoftware ermöglicht Aussagen über die Betriebsfestigkeit

Mögliche Anrissstellen richtig vorhergesagt

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Aufgrund der Größe der Bauteile können bei Windenergieanlagen keine Versuche am kompletten Bauteil durchgeführt werden. Maßgebend für die Dimensionierung der Bauteile ist daher die Auslegung auf Betriebsfestigkeit. Areva Wind schätzt diese auf Basis von Simulationen ab.
Mit einer Gondelmasse von 234 t ist die Windenergieanlage Multibrid M5000 von Areva Wind das Leichtgewicht unter den Offshore-Anlagen. Der große Vorteil einer leichten und kompakten Bauweise sind deutlich vereinfachte Transport- und Hebeprozesse, die für eine schnelle Errichtung auf See essenziell sind. Die komplett ausgestattete Gondel wird in einem Hub auf den Turmkopf gehoben. Darüber hinaus lässt sich mit einem geringeren Gondel- und Rotorgewicht die Gründungsstruktur wirtschaftlicher herstellen.
Eine eigene Lastabteilung ist bei Areva Wind daher ausschließlich damit beschäftigt, die vielfältigen Einwirkungen auf die Offshore-Windenergieanlage genau zu ermitteln. Die Finite-Elemente-Berechnungsgruppe optimiert die Bauteile und legt sie für eine Lebensdauer von 20 Jahren aus. Aufgrund der komplexen Einwirkungen aus Wind, Eigen- gewicht und Massenträgheitskräften, die zu Schwingspielzahlen von bis zu 109 führen, wird die Betriebsfestigkeit zum Schlüsselfaktor für die wirtschaftliche Auslegung der Anlagenkomponenten. Ohne die Nutzung leistungsfähiger Software wäre eine Auslegung auf Betriebsfestigkeit schwer möglich. Insbesondere die schweren Gussbauteile Rotornabe, Hohlwelle und Maschinenträger werden heute mit Ansys Ncode Designlife von CADFEM optimiert.
Bevor die Entscheidung zum Einsatz der Software fiel, sind Vergleichsberechnungen mit konkurrierenden Produkten durchgeführt worden. Dabei ergaben sich für die ermittelten Schädigungen der Bauteile durchaus vergleichbare Ergebnisse. Jedoch hatte die Bearbeitung mit Ansys Ncode Designlife entscheidende Vorteile: Durch die Integration in Ansys Work- bench zählen dazu die intuitive Oberfläche und Programmstruktur, die die Arbeit erleichtern, zum einen durch ihre Über- sichtlichkeit und zum anderen durch eine klare Trennung der Berechnungsschritte. Das aus der Literatur bekannte Ablauf- schema mittels Flussdiagramm ist nahezu eins zu eins umgesetzt worden. Die Daten können aus Ansys Workbench in Ansys Ncode Designlife sehr einfach übertragen werden. Dabei lassen sich aus der Ergebnisdatei der Spannungstensor und die Geometrie problemlos auslesen.
Für die Bauteilauslegung werden mehrere hundert Lastzeitreihen ermittelt, deren Ursache sowohl aus deterministischen als auch stochastischen Einwirkungen resultiert. Die Verarbeitung in Ansys Ncode Designlife erfolgt für die mehrere Hundert Lastzeitreihen mit jeweils einer Dauer von 600 s bei einer Abtastrate von 20 Hz. Die Zeitreihen werden in das programminterne Lastzeitreihenformat umgewandelt. Anschließend lassen sich die Lastzeitreihen – unter Berücksichtigung der Häufigkeit ihres Auftretens – in ein „Lastkollektiv“ zusammenfassen. Hierbei sind mehrkanalig synchron aufgezeichnete nichtproportionale Lastabläufe verarbeitbar.
Zur Verkürzung der Rechenzeit können in einem ersten Berechnungsschritt die Lastzeitreihen eingekürzt werden, wobei kleine Schwingungen und Zeitabschnitte, die kaum zur Schädigung beitragen, herausgefiltert werden. Mit diesen eingekürzten Lastzeitreihen werden die Hot-Spots ermittelt. Eine Aussage über die Schädigung erfolgt danach über einen zweiten Berechnungsschritt, in dem die ungekürzten Lastzeitreihen verwendet werden. Dieses Verfahren lässt sich auch für mehrkanalige, nicht synchron berechnete Lastzeitreihen verwenden. Ferner erlaubt das Programm die Mittelspannungskorrektur nach der FKM-Richtlinie und die Anpassung der Mittelspannungsempfindlichkeit.
Eine FE-Berechnung der Oberflächenknoten reicht aus
Über den Proportionalitätsfaktor wird abgeschätzt, ob eine mehrachsige Beanspruchung vorliegt. Für den Fall der einachsigen Beanspruchung erfolgt die Berechnung der Vergleichsspannung mit dem Vorzeichen der absolut größten Hauptspannung. Die Berechnung der Vergleichsspannung von multiaxialen Spannungszuständen wird mit dem Verfahren der kritischen Schnittebene durchgeführt. Die mehrachsigen Beanspruchungen resultieren sowohl aus den geometrischen Verhältnissen (Kerben) des Bauteils, als auch durch nichtproportionale Lastzeitreihen. Da davon ausgegangen wird, dass sich ein Riss an der Oberfläche des Bauteils ausbildet, genügt eine FE-Berechnung der Oberflächenknoten.
Zur Schadensakkumulation werden die Spannungszeitreihen zuvor per Rainflow- Zählung klassiert. Die Klasseneinteilung der Zählung erfolgt mit den in der Praxis übli- chen Matrizen mit 64x64 Elementen. Für die Schädigungsberechnung wird die lineare Schadensakkumulation nach Palmgren und Miner genutzt. Der Grundgedanke dieser Methode ist, dass jede Schwingung eine Schädigung im Bauteil bewirkt. Aufsummiert ergibt sich für eine Lebensdauer von 20 Jahren ein Gesamtschädigung D, die nicht größer als eins werden darf.
CADFEM, Grafing www.cadfem.de
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