Die Integration von HyperWorks in den Entwicklungsprozess von Windkraftanlagen

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Randbedingungen bei der Auslegung von Windkraftanlagen

Die zu beachtenden Randbedingungen bei der Auslegung einer Windkraftanlage sind vielfältig. So ist z. B. die erforderliche Biegesteifigkeit der Rotorblätter ein Kriterium bei der Zertifizierung einer Anlage. Dabei muss nachgewiesen werden, dass sich die Rotorblattspitze durch die Aerodynamik- und Massenkräfte nur bis zu einem zugelassenen Maß durchbiegen kann, um ausreichend Abstand zum Turm zu gewährleisten.

Ein weiteres Kriterium bildet das Schwingungsverhalten. Um nachzuweisen, dass die im Betriebsbereich zu erwartenden Schwingungen nicht zu Resonanzen und somit zu extremen Belastungen der Rotorblätter führen, werden entsprechende Modalanalysen durchgeführt. Ebenso müssen die statischen und dynamischen Dehnungsgrenzen der einzelnen Materialien und eine maximal ertragbare Beullast eingehalten werden.

Neben der Einhaltung all dieser Randbedingungen ist schließlich auch die Herstellbarkeit der Rotorblätter zu beachten, da auch hier des Öfteren Kompromisse hinsichtlich Materialeinsatz und Kosten gefunden werden müssen.

Optimierung und wie es funktioniert

Mit der Vielzahl vorhandener Parameter und Randbedingungen, die bei der Entwicklung von Rotorblättern berücksichtigt werden müssen, stellt die Auslegung eines Rotorblattes eine klassische Optimierungsaufgabe dar. Zur Optimierung der Rotorblätter führte Acentiss bisher eine „Free Size“ Optimierung mit OptiStruct durch. So konnten Zielsetzungen wie ein minimales Gewicht oder minimale Kosten definiert werden.

Die „Free Size“ Optimierung bietet die Möglichkeit der einfachen Definition von Designvariablen wie z.B. die Bestimmung der Dicken der einzelnen Lagen. Außerdem bietet diese Vorgehensweise eine maximale Designfreiheit. Dadurch konnte eine optimale Festigkeits- und Steifigkeitsverteilung berechnet werden. Der Nachteil dieses Prozesses liegt in der mangelnden Herstellbarkeit des resultierenden Designs.

Das Ergebnis musste weiter modifiziert werden, um eine kostengünstige Produktion zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu erfordert eine Parameter-Optimierung jedoch manuelle Arbeitsschritte zur Definition der Variablen wie z.B. der Lagendicken. Die Vorteile dieses Optimierungsansatzes liegen hingegen einerseits in der besseren Stabilität bei der Integration der Beullastfälle in die Designoptimierung, andererseits in der Einbeziehung der Herstellungsrandbedingungen, so dass das Optimierungsergebnis mit nur geringen Änderungen direkt gefertigt werden kann. (Optimierung in HyperMesh und HyperView)

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