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CAD-Software Windturbinen im virtuellen Test

| Autor / Redakteur: Carola von Wendland / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Branchenspezifische Softwarelösungen verkürzen die Produkteinführungszeiten von Windturbinen und reduzieren deren Herstellungskosten. Das hilft den Unternehmen und kommt letztlich auch der Umwelt zugute.

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(Bild: Dassault Systèmes)

Die Nachfrage nach Windenergie nimmt kontinuierlich zu. Allein in Nord- und Ostsee sollen in den kommenden Jahren über 20 neue Windparks mit mehr als 2.000 Windrädern in Betrieb genommen werden. Trotzdem hat die Windenergie-Industrie zu kämpfen. Um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen, setzen immer mehr Hersteller von Windkraftanlagen daher darauf, ihre Entwicklungs-, Produktions- und Betriebskosten zu reduzieren. Und sie wollen zunehmend die Zeitspanne zwischen Produktentwicklung und Produkteinführung verkürzen. Spezialisierte Softwarelösungen, wie die Branchenlösung „Nachhaltige Windkraftanlagen“, des Softwareherstellers Dassault Systèmes, die auf der 3D-Experience-Plattform basiert, unterstützen sie dabei.

Im Fokus: Das Herz der Windturbine

Windturbinen sind teuer. Mit einem Anteil von 20 bis 25 % an den Gesamtkosten zählen die Rotorblätter dabei zu den teuersten Komponenten. Kein Wunder, denn sie sind einer Vielzahl an Belastungen ausgesetzt. Was die Konstruktion ebenfalls zu einer Herausforderung macht: Sie werden heute meist aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt. Denn diese verfügen unter anderem über eine hohe Steifigkeit und Verschleißfestigkeit sowie über ein geringes Gewicht. Die Konstruktion erfordert Fertigungsablaufstudien, aerodynamische Berechnungen sowie Belastungs- und Lebensdauerprüfungen. Deshalb lassen sich Rotorblätter nur im Zuge einer engen, disziplinübergreifenden Zusammenarbeit entwickeln und weiterentwickeln.

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Branchenlösung deckt komplette Prozesskette ab

Auch wenn viele Hersteller den anspruchsvollen Konstruktionsprozess bereits sehr gut beherrschen, verschenken einige noch immer Optimierungschancen. Vor allem, wenn Vorentwurf, Detailkonstruktion, Berechnungsverfahren und Produktion voneinander abgeschottete Prozesse sind, die jeweils durch isolierte Softwarelösungen unterstützt werden. Das Problem: Verfügen die einzelnen Abteilungen nicht über eine gemeinsame Informationsplattform, kostet der notwendige Datenaustausch enorm viel Zeit. Das treibt die Kosten in die Höhe und verlängert die Produkteinführungszeit. Darüber hinaus stellt die manuelle Datenübertragung zwischen den Abteilungen eine zusätzliche Fehlerquelle dar.

Eine Branchenlösung wie die „Nachhaltige Windkraftanlagen“ deckt die komplette Prozesskette der Entwicklung ab: Vorentwurf, Detailkonstruktion und statische Berechnung ebenso wie Simulation und Herstellbarkeitsanalyse. Zudem greifen alle Beteiligten über eine zentrale Plattform auf dieselben Daten zu. So können Konstrukteure, Ingenieure und Fertigungsplaner gemeinsam und effizient an arbeiten – unabhängig davon, in welcher Abteilung und von welchem Standort aus sie tätig sind. 3D-Visualisierungen vereinfachen dabei die Validierung der Entwürfe und den Informationsaustausch.

Der Herz- und Nierentest

Fällt ein Rotorblatt aus, steht die Windturbine. Das kostet den Betreiber der Anlage viel Geld, das er innerhalb der Gewährleistungsfrist von zwei bis fünf Jahren von dem Hersteller des Rotorblattes als Schadenersatz einfordert. Die Unternehmen simulieren daher immer häufiger die Arbeitsweise ihrer Rotorblätter und der gesamten Turbinen. So können sie beispielsweise konkret die Auswirkungen prognostizieren, die unterschiedlich große Hagelkörner an den Verbundwerkstoffen der Rotorblätter hinterlassen würden.

Simulationen senken Zeit- und Kostenaufwand

Zu den Analysen gehört auch die Simulation von Vibrationen, nichtlinearem Verformungs- und Spannungsverhalten, Materialbruch und -versagen sowie Fluid-Struktur-Interaktionen, d.h. Wechselwirkungen zwischen der Windturbinenstruktur und den die Windturbine umgebenden Luftströmungen. Abhängig vom Ergebnis können die Ingenieure dann die optimalen Design-Parameter bestimmen und die Konstruktion entsprechend anpassen, etwa das Material verstärken. Durch die virtuellen Analysen können verschiedene Varianten innerhalb einer überschaubaren Zeit auf Herz und Nieren geprüft werden. Zudem fällt der Bau von Prototypen weitgehend weg, der Unternehmen nicht nur hohe Geldsummen, sondern auch mehrere Monate Zeit kosten kann.

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