WEA-Gesamtdynamik (Struktur-, Wind- und Wellenkopplung)

INSTITUTE

Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE)

 

http://www.ifb.uni-stuttgart.de/windenergie/

www.mpa.uni-stuttgart.de

 

Ansprechpartnerin:

Dr.-Ing. Anne Jüngert

anne.juengert@mpa.uni-stuttgart.de

 

Lastsimulation

 

Am Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie der Universität Stuttgart sind zahlreiche Möglichkeiten zur dynamischen Lastsimulation von Onshore und Offshore Windenergieanlagen gegeben. Je nach Zielsetzung können Modelle unterschiedlicher Komplexität verknüpft und untersucht werden. Das Spektrum reicht von schnellen reduzierten Gesamtmodellen für aufwendige Langzeitsimulationen bis zu detaillierten Modellen des Triebstrangs, des Regelungssystems, des Verankerungssystems oder der Rotorblätter samt CFD Aerodynamik.

 

Überblick Simulationssoftware

 

Flex5

Bladed

FAST

FE Software: ANSYS, ABAQUS, Poseidon

MKS Software: SIMPACK

CFD Code: FLOWer

u.v.m.

 

 

Modale Ansätze: Flex5+FE, Bladed, FAST

 

Simulationen mit modalen Ansätzen und zum Teil gekoppelten finiten Elemente Modellen stellen eine sehr schnelle Plattform des Vorentwurfsprozesses dar, um das Gesamtsystem Windenergieanlage zu berechnen. Die Modelle bilden ausreichend genau alle relevanten Komponenten der Anlage von Fundament bis Rotorblatt ab und können zahlreiche Umweltphänomene aus Wind und Wellenlasten berücksichtigen. Besonders geeignet sind solche Anwendungen für den Zertifizierungsprozess von Windenergieanlagen, da hier sehr viele 10min-Zeitreihen gerechnet werden müssen.

 

 

Mehrkörpersysteme (MKS): SIMPACK, BladedMKS

 

Hoher Detaillierungsgrad lässt sich mit Mehrkörpersimulationsprogrammen realisieren. MKS Systeme zeichnen sich auch durch hohe Flexibilität bei der Modellbildung aus und es lassen sich auch flexible Körper aus modal-reduzierten FE-Bauteilen (sog. Flexible Mehrköpersystem, FMKS) einbinden. So lassen sich Zahnkontakte, Lagersteifigkeiten (zum Beispiel  im Triebstrang oder im Pitchsystem), oder Vertäuungssysteme bei schwimmenden Windenergieanlagen abbilden. Der Stiftungslehrstuhl für Windenergie benutzt sowohl Bladed MKS von GL/Garrad Hassan als auch SIMPACK ; mit beiden Softwareentwicklern sind in den letzten Jahren enge Beziehungen entstanden und der SWE beteiligt sich auch an der kommerziellen Weiterentwicklung des SIMPACK-Moduls für die Modellierung von Windenergieanlagen.

 

 

Fluid-Struktur-Kopplungen mit CFD: FLOWer -SIMPACK

 

Neben einfacheren aerodynamischen Verfahren, die auf der Blattelementimpulstheorie (BEM), sowie Wirbelleiterverfahren basieren, wird für sehr detaillierte Simulationen von aeroelastischen Fragestellungen auch der Strömungslöser FLOWer mit dem Mehrkörpersimulationsprogramm SIMPACK gekoppelt. Dadurch haben die beteiligten Institute ein sehr leistungsfähiges Softwarepaket zur „aeroelastischen Mehrkörpersimulation“ zur Verfügung, wobei das strukturdynamische Verhalten mittels Mehrkörpersimulation mit einem hohem Detailierungsgrad modelliert werden kann und die Aerodynamik mit dem CFD URANS Verfahren, das dem FLOWer Code zugrunde liegt, ohne die bei den einfacheren BEM Verfahren üblichen Vereinfachungen gelöst wird. Die mit den gekoppelten Tools erzeugten Ergebnisse werden sowohl strukturdynamisch anhand der lokalen Lasten am MKS Modell ausgewertet, als auch aerodynamisch anhand des gesamten Strömungsfelds und der Druckverteilung auf der Blattoberfläche.

 

 

Weiterführender Link:

 

http://www.ifb.uni-stuttgart.de/windenergie/Konzeptentwurf_Systemsimulation.html

 

 

Systemidentifikation, Zustandsanalyse, Model Updating:

 

  • Systemidentifikation:
    • Identifikation des Zustands mechanischer Strukturen im Maschinen- und Anlagenbau mithilfe klassischer Modalanalyseverfahren und der Betriebsschwingungsanaly-se OMA („Operational Modal Analysis“)
    • Messung der Systemantwort mit seismischen Sensoren (Schwinggeschwindig-keitsaufnehmern) und piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern
    • Ermittlung von Verformungen mittels DMS-Messtechnik und optischer Messverfah-ren, etc.
    • Analyse der Beanspruchungen mit LMS Test. Lab Structures
  • Zustandsanalyse: Berechnung der Eigenfrequenzen und  formen mechanischer Strukturen im Maschinen- und Anlagenbau mithilfe des Finite Elemente Programms Abaqus FEA
  • Model Updating: Anpassung unbekannter Modell Systemparameter – z. B. Rand- und Übergangsbedingungen sowie Einspanngrade – an die Ergebnisse der experimentellen Mo-dalanalyse mithilfe des Finite Elemente Programms FEMtools von Dynamic Design Soluti-ons (DDS).

 

 

Schwingungsminderung

 

Qualifizierung von Schwingungstilgern in Zusammenarbeit mit dem Hersteller, um unerwünschte hohe strukturdynamische Beanspruchungen von mechanischen Systemen zu mindern, z.B. Turmschwingungen.

 

 

Mode 1 und Mode 2 einer Windenergieanlage Abbildung: MPA Stuttgart

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