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Leichtbau Strukturoptimierung und Modularisierung – geht das?

| Autor/ Redakteur: Sebastian Stein,Prof. Georg Jacobs, Jonathan Sprehe, Johannes Bolk* / Dorothee Quitter

Durch die Verknüpfung von Strukturoptimierung und Modularisierung konnte ein WEA-Maschinenträger als leichter Guss-Blech-Hybrid kosteneffizient entwickelt werden.

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Für den Maschinenträger einer 2,75 MW WEA wurde mittels Topologieoptimierung eine gewichtsminimale Zielstruktur entwickelt. Durch die Analyse der Produktarchitektur lässt sich der Maschinenträger in zwei Module unterteilen. Das Modul zur Lasteinleitung aus Rotorwelle und Getriebe kann als Gussteil, das Modul zur Aufnahme von Generator und Hilfsaggregaten kann als Blechkonstruktion gestaltet werden.
Für den Maschinenträger einer 2,75 MW WEA wurde mittels Topologieoptimierung eine gewichtsminimale Zielstruktur entwickelt. Durch die Analyse der Produktarchitektur lässt sich der Maschinenträger in zwei Module unterteilen. Das Modul zur Lasteinleitung aus Rotorwelle und Getriebe kann als Gussteil, das Modul zur Aufnahme von Generator und Hilfsaggregaten kann als Blechkonstruktion gestaltet werden.
(Bild: MSE RWTH Aachen)

Hochintegrierte Leichtbaustrukturen und eine kostenoptimierte Modulbauweise sind kein Widerspruch. Im Gegenteil: durch eine methodische Kombination beider Ansätze lassen sich kosteneffiziente Produkte mit minimalem Aufwand konstruieren. Denn auf die Gewichtseinsparung durch reduzierten Materialeinsatz folgt zwangsläufig die Frage nach der optimalen Fertigungstechnologie. Um dies bereits in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses zu berücksichtigen, wird die Topologieoptimierung um eine Analyse der Produktarchitektur erweitert.

In diesem neuen Ansatz werden Strukturleichtbau und Modularisierung verknüpft und somit die Entwicklung kostenoptimaler Leichtbaustrukturen ermöglicht. Diese Kombination führt jedoch zunächst zu einer Unvereinbarkeit hinsichtlich der jeweils präferierten Bauweise. Eine Topologieoptimierung verfolgt das Prinzip der Funktionsintegration, was zu hochintegrierten Strukturen führt. Diese Strukturen weisen oftmals eine hohe Leichtbaugüte auf, bedingen jedoch häufig den Einsatz kostenintensiver Fertigungsverfahren. Dem gegenüber steht die Funktionstrennung, welche durch eine Modularisierung forciert wird. Durch definierte Schnittstellen lassen sich die einzelnen Funktionsmodule kostenoptimiert fertigen, bei Bedarf austauschen und Kosten durch einen höheren Gleichteileanteil reduzieren. Meist wirkt sich eine hohe Modularität jedoch negativ auf das Gewicht des Produktes aus. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird die Produktarchitektur hinsichtlich Funktion, Kraftfluss, Fertigungstechnologie und Individualisierbarkeit analysiert. Die Verknüpfung mit den Ergebnissen der Topologieoptimierung ermöglicht eine sinnvolle Funktionstrennung und anfor-derungsgerechte Schnittstellendefinition, wodurch die Entwicklung kosteneffizienter Leichtbaustrukturen unterstützt wird.

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Beispiel Maschinenträger einer WEA

Als bislang nur geringfügig optimiertes Strukturbauteil innerhalb der Gondel einer Windenergieanlage (WEA) bietet der Maschinenträger großes Potential, die vorgestellte Methodik anzuwenden. Mit einem Anteil von durchschnittlich 10 % der Gondelmasse ist er ein Hauptgewichtstreiber einer WEA. Als Ausgangsmodell dient der Maschinenträger einer 2,75 MW WEA mit teilintegriertem Triebstrang, einer Dreipunktlagerung, einer Kranbahn und einem Gewicht von 22 t. Durch eine Topologieoptimierung wird zunächst eine gewichtsminimale Zielstruktur entwickelt. Der zulässige Lösungsraum umfasst sowohl den ursprünglichen Maschinenträger, als auch die Struktur der Kranbahn. Der Bauraum für die Triebstrangkomponenten und Hilfsaggregate ist nicht Teil dieses Lösungsraumes und wird als nondesign space definiert. Unter der Restriktion der maximalen Auslenkung in definierten Bereichen werden sowohl externe Windlasten, als auch die Eigengewichte der Triebstrangkomponenten berücksichtigt. Bei Beibehaltung desselben Stahlwerkstoffes ergibt sich ein theoretisches Minimalgewicht von 11,2 t des Maschinenträgers, bzw. eine Gewichtseinsparung von 49 % gegenüber dem Ausgangsmodell.

Zwei Module führen zur Hybridbauweise

Durch die Analyse der Produktarchitektur lässt sich der Maschinenträger in zwei Module unterteilen. Das erste Modul unterstützt maßgeblich die Funktionen der Lastleitung. Diese Funktion wird von den Komponenten Rotorlager, Elastomerlager, Azimutlager und der verbindenden Tragstruktur erfüllt. Die Komponenten zur Lastaufnahme und -abgabe sind in Bild 1, Prozessschritt 2 rot dargestellt. Die Kraftleitung erfolgt über die Tragstruktur, welche die zuvor genannten Komponenten verbindet. Da ein Großteil der Last durch den vorderen Bereich des Maschinenträgers geleitet wird, ist es naheliegend, Fügestellen in diesem Bereich zu vermeiden und die Funktionselemente in eine Komponente zu integrieren. Um die komplexe Topologie dieses Moduls bestmöglich umsetzten zu können, empfiehlt sich eine Gestaltung als Gussteil. Im hinteren Bereich des Maschinenträgers sind, neben dem Generator, vor allem Hilfsaggregate untergebracht. Dieser Bereich erfährt keine nennenswerten statischen Lasten und unterstützt in erster Line die Funktion „Schnittstellen bereitstellen“. Daher ist eine Umsetzung in Form einer Blechkonstruktion naheliegend. Diese begünstigt eine kosteneffiziente Fertigung und bietet gleichzeitig die Möglichkeit einer anwendungsspezifischen Anpassung dieses Moduls, ohne den gesamten Maschinenträger neu auslegen zu müssen.

Bei den vorgestellten Optimierungsergebnissen handelt es sich aktuell noch um rein simulative Werte. Eine fertigungsgerechte Umsetzung und die Gestaltung der Schnittstellen zwischen den beiden Modulen führen zu einer Gewichtszunahme. Somit ist eine realistische Gewichtsreduktion von mindestens 35 % zu erwarten. Hybride Maschinenträger in Guss- und Blechbauweise weisen durchschnittlich spezifische Kosten von 3,5 €/kg auf. Für die betrachtete Anlage würde somit allein die Materialeinsparung zu einer Kostenreduktion von 26.950 € führen. Weiteres Potential liegt in der Nutzung von Sekundäreffekten, der Übertragung auf leistungsstärkere Anlagen und einer weiteren Gewichtsreduktion durch den Einsatz hochfester Werkstoffe. (qui)

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* Sebastian Stein, Prof. Georg Jacobs, Jonathan Sprehe, Johannes Bolk: Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung RWTH Aachen

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