Windkraftanlagen numerisch simulieren

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Altair Engineering GmbH

Neue Simulationsmethoden im Offshore-Bereich gefragt

Vor allem im Offshore Bereich sind diese neuen Simulationsmethoden und Entwicklungsprozesse wichtig, denn hier wird bei der Neuentwicklung von Anlagen an neue Leistungsgrenzen gegangen und langjährige Erfahrungen liegen noch nicht vor. Es wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit für den Anlagenbetrieb gefordert, da der Austausch von defekten Komponenten auf hoher See äußerst schwierig und sehr kostspielig ist. Über stochastische Ansätze und Toleranzuntersuchungen kann gezielt der Einfluss von Schwankungen, wie sie im realen Betrieb vorkommen, in der Simulation berücksichtigt werden.

Konzeptionelle Designfindung im frühen Stadium des Entwicklungsprozesses

Heute stehen für die verschiedenen Simulationsdisziplinen kommerzielle CAE-Softwaretools zur Verfügung. Darunter Werkzeuge für die Modellierung und Vernetzung von Bauteilen, Baugruppen oder Gesamtsystemen für eine spätere Finite Elemente oder CFD Analyse, Mehrkörpersimulation, zur Simulation und Visualisierung des Zusammenspiels der mechanischen Komponenten und des Schwingungsverhaltens, Simulationsumgebungen zur Kopplungen der mechanischen und elektronischen Teilsysteme sowie zugeschnittene Optimierungsmethoden zur Auslegung von Verbundmaterialkomponenten. So ist es möglich, das Strukturverhalten einer Windkraftanlage zu untersuchen und das Gesamtsystem auf Materialeinsatz, Gewicht, Funktion und Stabilität zu optimieren. Mit verschiedenen Optimierungsdisziplinen kann bereits im frühen Stadium des Entwicklungsprozesses eine konzeptionelle Designfindung stattfinden. Deutlich verbesserte Funktionalitäten der Software, beispielsweise für die Definition von Fertigungsrestriktionen, erlauben heute einen sehr effektiven Einsatz dieser Technologien für die Lösung spezifischer Aufgabenstellungen.

Topologieoptimierung für lastfallgerechte Bauteilgestalt

Das Softwareunternehmen Altair Engineering bietet mit der Produktfamilie HyperWorks alle notwendigen Werkzeuge, um die virtuelle Auslegung und Erprobung von Windkraftanlagen zu ermöglichen. Die Softwarefamilie kommt in Deutschland bereits bei einigen Herstellern und Entwicklern von Windkraftanlagen erfolgreich zum Einsatz. Das Unternhemen hat mit der Topologieoptimierung ein Verfahren entwickelt, mit dem sich bereits in der frühen Konzeptphase eine lastfallgerechte und optimierte Bauteilgestalt definieren lässt. So wie die Natur mit Evolutionsstrategien über Jahrtausende eine optimierte Gestalt hervorbringt, kann mit der Topologieoptimierung eine optimale Gestalt ermittelt werden. Der Einsatz der Topologieoptimierung ist in der Automobilindustrie und Luftfahrt seit Jahren fester Bestandteil des Entwicklungsprozess. Gegenüber dem konventionellen Entwicklungsprozess können dadurch in der Regel 20-30 % leichtere Bauteile realisiert werden. Im Windanlagenbereich bieten insbesondere großvolumige Bauteile wie der Maschinenträger, Getriebegehäuse und Anbauteile enormes Potenzial für die Gewichtseinsparung.

So verfolgt auch Aerodyn Energiesysteme, ein Entwickler von Windenergieanlagen und deren Einzelkomponenten, den virtuellen Ansatz und setzt dabei viele Werkzeuge der HyperWorks Umgebung ein. Das Unternehmen setzt durch den Einsatz neuster Entwicklungsmethoden auf Innovation und Leichtbau. Dies beinhaltet sowohl den Modellaufbau und die Vernetzung der Bauteile als auch den Einsatz von Topologieoptimierung und der zielgerichteten Auslegung von Verbundmaterialkomponenten. An der Softwarefamilie schätzt Aerodyn Energiesysteme vor allem die offene Plattform der Werkzeuge. Dadurch werden Kopplungen zu den im Windkraftanlagenumfeld oft verwendeten hausinternen Programmen ermöglicht und das darin enthaltene Wissen wird in vollem Umfang genutzt.

Optimierungsmethoden als Vorbild für neue Blattfamilie

Ein weiterer Altair Kunde im Bereich Windkraftanlagen ist die Firma Acentiss. Das Unternehmen, das bereits viel Erfahrung mit HyperWorks im Bereich Luftfahrt gemacht hat, nutzt seine Expertise beim Leichtbau und dem Einsatz von Verbundwerkstoffen nun auch in der Entwicklung von Windkraftanlagen. In einen Vortrag auf der europäischen HyperWorks Technology Conference im letzten Jahr in Ludwigsburg hat Acentiss vorgestellt, wie die Entwickler diese Erfahrung auch für die Entwicklung von Windkraftanlagen nutzen können und präsentierte eine Designstudie von segmentierten Rotorblättern. Zur internationalen Vermarktung von Rotorblattentwicklungen wurde, zusammen mit Airworks, das Joint Venture A²Wind gegründet. Die Optimierungsmethoden in HyperWorks werden aktuell zur Entwicklung einer Blattfamilie von 1,5 bis 5 MW angewendet. (jus)

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