Betriebsfestigkeitsberechnungen helfen bei der entwicklung der Windenergieanlage Multibrid M5000

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Lenord_Bauer.jpg (Lenord, Bauer & Co. GmbH)

Aufwendige Testphase

Bevor die Entscheidung zum Einsatz von ANSYS nCode DesignLife gefällt wurde, sind Vergleichsberechnungen mit verschiedenen Softwarelösungen durchgeführt worden. Dabei ergaben sich für die ermittelten Schädigungen der Bauteile durchaus vergleichbare Ergebnisse. Jedoch hatte die Bearbeitung mit ANSYS nCode DesignLife entscheidende Vorteile gegenüber vergleichbaren Programmen.

Durch die Integration in ANSYS Workbench zählen dazu die intuitive Oberfläche und Programmstruktur, die die Arbeit erleichtern, zum einen durch ihre Übersichtlichkeit und zum anderen durch eine klare Trennung der Berechnungsschritte. Das aus der Literatur bekannte Ablaufschema 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 ANSYS-Ergebnisdatei der Spannungstensor und die Geometrie problemlos auslesen.

Leistungsstarke Tools

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 Sekunden bei einer Abtastrate von 20 Hz. Die Zeitreihen werden in das programminterne Lastzeitreihenformat umgewandelt und anschließend lassen sich die Lastzeitreihen – unter Berücksichtigung der Häufigkeit ihres Auftretens der einzelnen Lastzeitreihen – 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.

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.

Rainflow-Zählung zur Lebensdauer

Zur Schadensakkumulation werden die Spannungszeitreihen zuvor per Rainflow-Zählung klassiert. Die Klasseneinteilung der Zählung erfolgt mit den in der Praxis üblichen 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. (Das Fazit lesen sie nach dem Umblättern)

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