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Beitrag zum Aufbau eines Simulationssystems für Windenergieanlagen mit SIMPACK

Bachelorarbeit 2006 73 Seiten

Informatik - Technische Informatik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Bearbeitete Aufgaben

Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen

1. Einführung
1.1. Allgemeines
1.2. Zielsetzung
1.3. Aufbau der Arbeit

2. Modellaufbau in SIMPACK
2.1. Definition der Elemente in SIMPACK
2.2. Das flexible Modell
2.2.1. Aufbau des Modells
2.2.2. Analyse des flexiblen Modells
2.3. Aufbau als Mehrkörper-Modell

3. Programmiertechnische Erweiterungen
3.1. Berechnung von Windlasten
3.2. Die Programmierschnittstellen
3.3. Bestandteile der User Routinen
3.3.1. Beschreibung des Aufbaus der Userroutinen .
3.3.2. uforce_type(: : :)
3.3.3. uforce_setup(: : :)
3.3.4. uforce(: : :)
3.4. Programmierung des Kraftelements
3.4.1. Die Parameterdatei:
3.4.2. Die Winddatei:
3.4.3. uforce_setup(: : :)
3.4.4. uforce(: : :)
3.5. Skript-Datei zur automatisierten Berechnung und Ausgabe
3.6. Automatisierung bei der Erstellung von Modellen

4. Ergebnisse
4.1. Vergleich der Ergebnisse von SIMPACK und RSTAB
4.1.1. Statische Belastung
4.1.2. Dynamisches Verhalten
4.2. Bewertung der Ergebnisse

5. Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

A. Anhang
A.1. Verwendetes Koordinatensystem
A.2. Eigenformen des Turms
A.3. Pseudocode
A.3.1. Aufruf mit jedem Zeitschritt
A.3.2. Interpolation des zu der Position eines Markers gehörenden Windvektors.
A.3.3. Aufruf der Einleseroutinen
A.3.4. Pseudocode der Routine zum Einlesen der Winddatei
A.3.5. Einleseroutine für die Parameterdatei
A.4. Parameterdatei
A.5. Winddatei
A.6. ASCII-Export Script

Tabellenverzeichnis

0.1. Aufgaben die im Rahmen dieser Bachelorarbeit bearbeitet wurden

0.2. Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen

2.1. Elemente in Simpack

2.2. Definition: Stahl

4.1. Abweichungen der Durchbiegungen zwischen SIMPACK und RSTAB

4.2. Abweichungen der ersten 3 Eigenfrequenzen von SIMPACK zu RSTAB . . .

Abbildungsverzeichnis

2.1. Getriebe einer WEA als MKS-Modell [INTEC-Angebot, 2005]

2.2. Body des Turms in SIMPACK

2.3. SIMBEAM-Eingabemaske für Schnittsektionen

2.4. SIMBEAM-Eingabemaske für flexible Komponenten

2.5. Aufruf von FEMBS

2.6. Schritte zur Erstellung eines elastischen Körpers mit SIMPACK

2.7. Ausgelenktes MKS-Modell (überzeichnet)

3.1. Turbulentes Windfeld [Eggleston und Stoddard, 1987]

3.2. Durch Windlast gebogener Turm

3.3. Ersatzkräfte aus Streckenlasten

3.4. Die Programmierschnittstellen von Simpack

3.5. Menü zum Kompilieren und Linken der USR

3.6. Aufruf von Userroutinen aus Simpack

3.7. SIMPACK-Dialog zur Anbringung von Kraftelementen

3.8. Räumliche Interpolation des Windes

3.9. Screenshot des Excel-Preprozessors

4.1. Materialsteifigkeiten der einzelnen Schnitte in SIMPACK und RSTAB

4.2. Vergleich der Biegelinien zwischen SIMPACK und RSTAB

4.3. Vergleich RSTAB-Modell und SIMPACK-2-Bodies-Modell

4.4. Modell des Turms in RSTAB (ausgelenkt)

4.5. SIMPACK-Modell (ausgelenkt)

4.6. Zeitreihe: Kräfte an 3 Schnitten des Turms

4.7. Momente um die Y-Achse an den 3 Schnitten des Turms

4.8. Zeitreihe: Auslenkung in X-Richtung an 3 Schnitten des Turms

A.1. Turmfuß-Koordinatensystem [GLWind-Richtlinie, 2003]

A.2. 1. Eigenform

A.3. 2. Eigenform

A.4. 3. Eigenform

Bearbeitete Aufgaben

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 0.1.: Aufgaben die im Rahmen dieser Bachelorarbeit bearbeitet wurden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen

Tabelle 0.2.: Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen

1. Einführung

1.1. Allgemeines

Die Windenergie ist in Deutschland mit einer derzeitig installierten Leistung von fast 17000 MW und über 17000 Anlagen der produktivste Bereich der erneuerbaren Energien [windpower-monthly, 2005].

Zur Zeit werden Windenergieanlagen (WEA) für eine Betriebsdauer von mindestens 20 Jahren ausgelegt [GLWind-Richtlinie, 2003]. Während der gesamten Lebensdauer erfährt eine WEA wechselnde dynamische Belastungen, die u.a. durch das auf sie wirkende Windfeld und die eigenen Massenkräfte verursacht werden.

Die Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH (GL Wind) zertifiziert Typen von WEA. Zur Untersuchung der Schädigung, die eine WEA im Laufe ihrer Lebensauer erfährt, werden zum einen die extremsten Beanspruchungen berechnet (ausgelöst durch starke Böen, Erdbeben, oder bei der Montage), und zum anderen erfährt eine WEA als ein schwingungsfreudiges System durch die kontinuierlich wechselnden (Wind-) Lasten erhebliche Auslenkungen und Beschleunigungen, welche die Struktur der Bauteile auf Dauer schädigen.

In bisherigen Simulationsmodellen von WEA werden elastische Verformungen und die sich daraus ergebenden Belastungen für den Turm und die Rotorblätter der Anlagen und in stark vereinfachter Form für den Triebstrang untersucht. Hierzu dienen speziell für diesen Anwen- dungsfall entworfene Simulationsprogramme. Die einzelnen Bauteile einer WEA wie Blätter, Turm, Triebstrang und Getriebe werden in diesen Programmen nur stark vereinfacht abgebil- det.

Mehrkörpersysteme (MKS) bieten die Möglichkeit, mechanische Bauteile von WEA wie z.B. den Triebstrang realitätsnäher abzubilden. So kann u.a. der Einfluss elastischer Strukturen auf das Betriebsverhalten untersucht werden.

Zu diesem Zweck hat GL Wind die kommerzielle MKS Software SIMPACK erworben. Bei GL Wind wurde SIMPACK bisher nur in ersten Versuchen zur Modellierung von Getrieben verwendet. Es existieren für SIMPACK noch keine Erfahrungen über den Aufbau von großen elastischen Körpern und die Erweiterungsmöglichkeiten über die Programmierschnittstelle User defined Subroutines (USR). Innerhalb dieser Bachelorarbeit wird die Anwendbarkeit

von SIMPACK für die Lastberechnung von WEA untersucht. Neben einem Konzept zum Aufbau eines Modells eines WEA-Turms in SIMPACK beschäftigt sich der Hauptteil dieser Arbeit mit der Programmierung von Routinen zur Verarbeitung von Windfeld-Dateien. Diese dienen als Eingabeparameter für die Berechnung von aerodynamischen Lasten. Über die in SIMPACK als Zusatzmodul enthaltene Programmierschnittstelle User Routines können diese Erweiterungsroutinen in Fortran 90 programmiert werden.

Alle für die Modelle verwendeten Daten basieren auf dem WEA-Typ S88 des Unternehmens Suzlon Energy GmbH. Die Daten wurden für diese Bachelorarbeit freundlicherweise vom Hersteller zur Verfügung gestellt, mit der Auflage, dass sie in öffentlich einsehbaren Versionen dieser Arbeit nicht enthalten sind. Die S88 mit einem Rotordurchmesser von 88 Metern, einer Nabenhöhe von 80 Metern und einer Nennleistung von 2 MW entspricht in Dimension und Leistung einer typischen WEA auf dem heutigen Stand der Technik.

1.2. Zielsetzung

Mit dieser Arbeit soll gezeigt werden, ob es mit der MKS-Software SIMPACK möglich ist, ein Simulationssystem für WEA aufzubauen. MKS-Simulationen werden in ihren üblichen An- wendungsgebieten nicht für große elastische Körper betrieben. Deshalb wird ihre Anwend- barkeit für die Simulation von WEA in dieser Arbeit untersucht. Die ersten Arbeitsschritte für diese Arbeit bestehen darin, die Möglichkeiten zu untersuchen, wie ein Modell einer WEA mit SIMPACK erstellt werden kann. Konkret wird in dieser Arbeit das Modell eines Turms der S88 WEA in SIMPACK erstellt.

Zur Anwendung zeitabhängiger dynamischer Lasten, wie sie durch ein Windfeld erzeugt wer- den, auf ein in SIMPACK erstelltes Modell ist die Programmierung von zusätzlichen (Kraft-) Elementen erforderlich. Als Schnittstelle hierzu bietet SIMPACK die USR. Diese bieten die Möglichkeit, die Funktionalitäten des Programms durch selbst programmierte Dynamic Link Libraries (DLL) zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit werden Routinen programmiert, die Windfelder einlesen, diese räumlich und zeitlich interpolieren und aus den Windstärken und -richtungen Kräfte berechnen, die auf ein MKS-Modell des Turms einer WEA wirken.

Des Weiteren werden in dieser Bachelorarbeit die Möglichkeiten der Anpassung der Ein- und Ausgaben von SIMPACK an die Anforderungen des GL Wind untersucht. Hierbei geht es vor allem darum, dass ein Modell einer WEA mit geringem zeitlichem Aufwand aus den Anlagenparametern erstellt werden kann. Eine aufwendige Modellerstellung über die grafi- sche Schnittstelle des in SIMPACK enthaltenen Computer Aided Design- (CAD) Moduls soll vermieden]] werden.

1.3. Aufbau der Arbeit

Diese Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Bedienung von SIMPACK. Im Kapitel 2 Mo- dellaufbau in SIMPACK werden die Grundkonzepte eines MKS-Systems beschrieben und diskutiert, in welcher Weise diese für die Simulation von WEA nützlich sein können. Danach werden die Schritte beschrieben, die zur Erstellung eines Modells von einem WEA-Turm mit SIMPACK notwendig sind. Dabei wird das Vorgehen erläutert, welches sich im Laufe dieser Arbeit als am vielversprechendsten herausgestellt hat. Andere Ansätze werden kurz vorge- stellt.

Im Kapitel 3 Programmiertechnische Erweiterungen werden die Möglichkeiten gezeigt, mit denen SIMPACK über den normalen Funktionsumfang hinaus erweitert werden kann. Den Kernpunkt dieser Arbeit stellt die Erweiterung von SIMPACK durch die Anbindung von eigenen Routinen zur Berechnung von Windlasten dar. Hier werden Schritt für Schritt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Routinen vorgestellt, welche auf der Basis von Windda- teien Lasten berechnen, die auf das Modell des Turms einer WEA wirken. Dabei wird der strukturelle Aufbau der Routinen und das Zusammenspiel von MKS-Simulation und USR er- läutert.

Des weiteren werden hier Konzepte zur automatisierten Erstellung von SIMPACK-Modellen diskutiert und Automatisierungen bei der Berechnung und Ergebnisdarstellung gezeigt.

Im Kapitel 4 Ergebnisse/Schlussfolgerungen werden die Resultate der Verifizierung des in SIMPACK erstellten Modells anhand der SIMPACK-Berechnungen und den Ergebnissen anderer Berechnungsprogramme gegenübergestellt und diskutiert.

Im Kapitel 5 Fazit wird die Anwendbarkeit von SIMPACK als zukünftiges Lastberechnungsprogramm für WEA besprochen. Des Weiteren werden die Schritte beschrieben, die noch zur Erstellung eines vollständigen Modells einer WEA notwendig sind.

2. Modellaufbau in SIMPACK

Def.: Mehrkörper-Simulation

Eine Mechanische Simulation, auch Mehrkörper-Simulation oder kurz MKS, ist ein nachgebildetes System zur näherungsweisen Beschreibung realer Problemstellungen. Beim Erstellen einer solchen Simulation wird heute normalerweise auf in einem CAD- System erstellte Geometrie-Daten zurückgegriffen Eine Mehrkörpersimulation ist ei- gentlich eine Verkettung verschiedener gewöhnlicher und partieller Differentialgleichun- gen zur möglichst genauen Abbildung eines realen Systems. Aufgebaut ist dies hinter einer Oberfläche, die verschiedene Körper im Hintergrund mit der dazu passenden Glei- chung verbindet (daher auch Mehrkörper-simulation). So lässt sich relativ schnell ein komplexes System von Differentialgleichungen aufstellen und durch den Computer auch lösen.

[Wikipedia, 2005, Zitat]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.: Getriebe einer WEA als MKS-Modell [INTEC-Angebot, 2005]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

für mehrere gekoppelte Körper. Aus dieser Bewegungsgleichung können dann, durch die Summierung der inneren und äußeren Kräfte, die zwischen den Körpern wirkenden Schnittkräfte bestimmt werden [Grote und Feldhusen, 2004].

MKS-Systeme eignen sich zur Lastberechnung an beweglichen, mechanischen Systemen wie WEA. Eine WEA besteht aus vielen beweglich miteinander verbundenen Teilen (Rotor- blätter, Getriebe, Generator, Turm). Eine besondere Eigenschaft von WEA ist ihre weiche Struktur. Deshalb sind elastische Verformungen, die an ihr auftreten nicht vernachlässig- bar. Die durch Verformung auftretenden Schwingungen beeinflussen sowohl Massenkräfte, als auch die auf der Anlage wirkenden aerodynamischen Kräfte (aeroelastische Kopplung). [Dowell, 1980] Aus diesem Grund ist es wichtig, die Verformung der Hauptkomponenten und die Wechselwirkungen bei einer Simulation zu berücksichtigen. Eine MKS-Software bietet die Möglichkeit, diese Systeme einzeln zu modellieren und zu einem Gesamtsystem zu ver- binden. Kräfte und Momente, die ein Körper erfährt, werden an ihren Verbindungsstellen (Joints) an die angrenzenden Körper weitergegeben. So wirkt sich eine am Rotor eingeleite- te Kraft durch die Maschine und den Turm hindurch bis in das Fundament aus. In bisherigen Lastrechnungsprogrammen wurde das elastische Verhalten und dessen Auswirkungen nur für die Rotorblätter, den Turm und stark vereinfacht den Triebstrang untersucht. Die Unter- suchung des Einflusses dieser Belastungen auf die einzelnen mechanischen Komponenten wie das Getriebe und den Generator einer WEA blieben dabei außen vor. Gerade bei der zunehmenden Größe heutiger WEA spielen die Lasten an diesen Komponenten eine immer größere Rolle. Mit Hilfe von MKS soll es moglich werden an unterschiedlichen Schnitten in- nerhalb des WEA-Modells Kräfte und Bewegungen zu bestimmen. Des weiteren sollen die Eigenfrequenzen der Hauptkomponenten (Turm, Blätter, Triebstrang) einer WEA bestimmt werden können.

2.1. Definition der Elemente in SIMPACK

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1.: Elemente in Simpack

Tabelle 2.1. erklärt die wichtigsten Elemente, aus denen in der MKS-Software SIMPACK Modelle aufgebaut werden. Weitere Komponenten wie flexible Elemente, Schnittsegmenten und Materialien sind Bestandteil des Zusatzmoduls SIMBEAM und werden im Kapitel 2.2. näher erläutert.

2.2. Das flexible Modell

2.2.1. Aufbau des Modells

Def.: Balkenmodell

Der Begriff Balkenmodell bezeichnet die Darstellung eines länglichen Körpers (Bal- ken) und seiner elastischen Eigenschaften, dessen Materialkennwerte und geometrische Form an verschiedenen Schnitten innerhalb des Balkens bekannt sind. Eine Rohrkon- struktion, wie sie der Turm einer WEA darstellt, kann durch die Bestimmung der Quer- schnittsfläche (Gl.2.2) an den einzelnen Schnitten als Balkenmodell dargestellt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hieraus ergeben sich die Verteilungen von Flächenträgheitsmomenten, Steifigkeiten und Massen entlang des Balkens. Es soll hier nicht tiefer auf die Theorie flexibler Körper ein- gegangen werden. Für eine genauere Beschreibung siehe [Grote und Feldhusen, 2004].

SIMBEAM

SIMBEAM ist ein in SIMPACK integriertes Modul zur Erstellung von einfachen, elastischen Modellen (Balkenmodellen) mit Hilfe von Finiten Elementen (FE). Mit diesen Balkenmodellen lassen sich die flexiblen Komponenten einer WEA (Turm, Rotorblätter) hinreichend genau darstellen. Zur Validierung des Biegeverhaltens und der Eigenfrequenzen der mit SIMBEAM erstellten Modelle dient ein parallel mit der FE Software RSTAB erstelltes Modell des S88 Turms.

RSTAB ist eine kommerzielle FE Software zur Modellierung von räumlichen Stabwerken. Bei GL Wind wird RSTAB standardmäßig für die Berechnung von WEA-Türmen eingesetzt. [RSTAB]

Vorgehensweise:

Zunächst wird in SIMPACK ein massiver Körper erstellt, der die Ausmaße der Form des zu modellierenden Körpers besitzt, siehe Abb.2.2..

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2.: Body des Turms in SIMPACK

Anschließend werden innerhalb dieses Körpers an den Positionen der zuvor ausgewählten Schnittsektionen Marker platziert. Der nächste Schritt besteht darin, das Materialverhalten des Turms zu definieren. Bei der S88 handelt es sich um einen Stahlrohrturm. Die Materialeigenschaften werden durch die in Tabelle 2.2. gezeigten Kennwerte definiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2.: Definition: Stahl

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3.: SIMBEAM-Eingabemaske für Schnittsektionen

Anschließend können einzelne, flexible Komponenten definiert werden. Diese gehen jeweils von einem Marker zu einem anderen Marker. Jeder flexiblen Komponente kann ein Material und eine Schnittsektion zugewiesen werden.

SIMBEAM bietet mehrere, vorgefertigte, geometrische Formen für die Schnitte, an denen die flexiblen Elemente definiert werden. Für den Turm eignet sich das Rohrelement als Vorlage, siehe Abb.2.3. Hier müssen nur der Außenradius und die Wandstärke am jeweiligen Schnittt als Parameter manuell angegeben werden. Die Schnittfläche und die Steifigkeit berechnet SIMBEAM. Für andere Formen bietet SIMBEAM auch eine allgemeine Einstellung, in der alle Parameter von Hand eingestellt werden können. Außerdem muss die Ausrichtung der

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.: SIMBEAM-Eingabemaske für flexible Komponenten

Schnittsektion in Form eines Vektors angegeben werden, siehe Abb.2.4. SIMBEAM stellt aus den Eingabedaten die Steifigkeits- und Massenmatrix für den flexiblen Körper auf, und erstellt ein .fbi File, welches mit dem SIMPACK Modul FEMBS weiterbearbeitet werden kann.

Da in dieser Arbeit nur der Turm einer WEA modelliert wird, muss im Modell eine Ersatzmasse am Turmkopf angebracht werden, welche dem Gewicht von Rotorblättern, Nabe und Gondel entspricht. Diese Masse wird mit einem Joint ohne Freiheitsgrade mit dem Turmkopf verbunden. Wenn in späteren Modellen der Turmkopf mit Gondel und Rotor erstellt worden sind, können diese einfach die Ersatzmasse ersetzen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5.: Aufruf von FEMBS

FEMBS

FEMBS ist eine Schnittstelle von SIMPACK zum Einlesen von FE-Strukturen. Neben Struk- turdateien aus SIMBEAM können auch welche aus FE-Programmen wie ANSYS oder NASTRAN eingelesen werden. Die Strukturdateien werden über die FEMBS Schnittstelle in SIMPACK eingelesen, und dort als Parameter einer elastischen Struktur den zuvor definier- ten Bodies des MKS-Modells zugewiesen. Das bedeutet, dass die Modelle für SIMPACK wie feste Bodies aussehen, deren Marker sich aber entsprechend der flexiblen Struktur gegen- einander verschieben können. Der Aufruf von FEMBS erfolgt über das SIMPACK-Hauptmenü Abb.2.5. Es muss hier die .fbi-Datei der in SIMBEAM erstellten flexiblen Struktur eingelesen werden. Weiterhin muss angegeben werden, wieviele Eigenformen für die Berechnung des dynamischen Verhaltens verwendet werden sollen.

Alle Schritte, die erforderlich sind um mit SIMPACK und SIMBEAB ein Modell von einem elastischen Korper zu erstellen, sind in Abb.2.6. zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6.: Schritte zur Erstellung eines elastischen Körpers mit SIMPACK

2.2.2. Analyse des flexiblen Modells

Zur Verifizierung der mit SIMBEAM berechneten, flexiblen Struktur wurden die Steifigkeiten der einzelnen Schnitte mit dem parallel in RSTAB erstellten Modell verglichen, (siehe Kapitel 4). SIMBEAM und RSTAB berechnen die Steifigkeiten identisch.

Da in der Grundeinstellung von SIMPACK nur 20 flexible Komponenten in einem Modell vor- handen sein dürfen, wurde zunächst für ein feineres Turmmodell mit 30 Schnitten der Turm in 2 massive Körper aufgeteilt und in einzelnen Projekten die FE-Strukturen für die jeweiligen Bodies berechnet. Die beiden Körper wurden in einem weiteren Projekt fest (0 Freiheitsgra- de) miteinander verbunden. Hierbei ergaben sich bei der Auslenkung der einzelnen Schnitte im oberen Turmsegment erhebliche Abweichungen von der Parallelrechnung mit RSTAB, (siehe hierzu auch Abb.4.3.)

Die Ursache hierzu liegt in den Eigenschaften des MKS-Systems:

Da der obere Körper an einem Joint mit 0 Freiheitsgraden hängt, werden die Trägheits- momente des Körpers so berechnet, als ob er einseitig fest eingespannt ist. Tatsächlich verschiebt sich dieser Joint (und damit auch der Body) jedoch mit der Auslenkung des un- teren Turmsegments. Die maximalen Anzahlen für alle SIMPACK-Elemente können in einem zum jeweiligen Projekt gehörenden Konfigurationsfile erhöht werden. Bei Modellen mit mehr als 100 flexiblen Komponenten kann es bei der Berechnung mit SIMBEAM zu Speicherpro- blemen des Systems kommen. Zur Reduzierung der Größe der Daten kann SIMBEAM auf die Berechnung von geometrischen Steifigkeitsmatrizen verzichten. Dies führt allerdings zu Ungenauigkeiten in den Ergebnissen (> 5 % der Eigenfrequenz des Systems), welche für unsere Berechnungen nicht tolerierbar sind.

Ausgabe von Eigenwerten

Zur Überprüfung der dynamischen Eigenschaften werden die Eigenfrequenzen (Eigenwerte) des Systems bestimmt. Eigenwerte zeigen das Resonanzverhalten eines Systems. Es lassen sich so viele Eigenfrequenzen wie Gesamtfreiheitsgrade ermitteln. Für Turmstrukturen sind bestenfalls die ersten 3 Eigenfrequenzen in jeder Richtung wichtig. Es wird davon ausgegangen, dass Frequenzen >5Hz keinen großen Einfluss haben.

Nach der Berechnung der Eigenwerte eines Modells schreibt SIMPACK die Eigenfrequenzen und Eigenformen des Systems in eine Ausgabedatei (eva-File). Allerdings wird für jeden Body nur ein Eigenvektor erzeugt. Bei diesem Modell, in dem der Turm aus einem einzelnen Body besteht und eine flexible SIMBEAM Struktur besitzt, ist es dementsprechend nicht möglich, Eigenformen für die einzelnen Schnitte innerhalb des Bodies auszugeben. Nach Angaben von Intec [Simpack-Support] ist eine derartige Ausgabemöglichkeit in Planung. Bis dahin muss der folgende Workaround verwendet werden:

Auf den Positionen der einzelnen Schnittsegmente wird jeweils ein zusätzlicher (Dummy-) Body, der fest mit dem Turm verbunden ist, erstellt. Die Masse des Bodies muss so klein gewählt werden, dass sie auf die Berechnung des Systems keinen nennenswerten Einfluss nimmt. Die Berechnung der Eigenwerte liefert dann für jeden dieser Dummy-Bodies eine Eigenform, die der Eigenform der jeweiligen Schnittsektion entspricht.

Eine grafische Darstellung der ersten 3 Eigenformen des S88 Turms ist im Anhang A.2. zu finden.

Ausgabe von Schnittkräften

Schnittkräfte bzw. Knotenkräfte sind die Kräfte, die innerhalb eines Körpers an einem Schnitt wirken. Sie resultieren aus den außen anliegenden Kräften und den Materialeigenschaften (Gl.2.3). Schnittkräfte sind für die dynamische Belastungsanalyse erforderlich, damit nachgewiesen werden kann, dass innerhalb des Materials keine Spannungen auftreten, die über die zulässigen Spannungen hinaus gehen. (Gl.2.4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

SIMPACK bietet zur Zeit keine Möglichkeit, Kräfte innerhalb eines flexiblen Körpers auszuge- ben. An den Verbindungen zwischen zwei Bodies können diese als sogenannte Joint-Forces ausgegeben werden. Möchte man diese Kräfte dennoch erhalten, so gibt es 2 Möglichkeiten dazu:

1. Ein Export der berechneten Ergebnisse in ein FE-Programm, mit dem dann die Knotenkräfte für jedes Element bestimmt werden können. Für diesen Export dient die LOADSSchnittstelle von SIMPACK.
2. Ein Aufbau des Modells aus mehreren Bodies. Das Modell wird aus einzelnen Bo- dies so zusammengebaut, dass an den gewünschten Ausgabepunkten jeweils ein Joint

zwischen den Bodies existiert. Dieser Joint besitzt dann 0 Freiheitsgrade. Die flexible Balkenstruktur muss für alle Bodies einzeln bestimmt und zugewiesen werden.

Zukünftige Versionen von SIMPACK sollen die Möglichkeit der Ausgabe von Schnittkräften beinhalten. [Simpack-Support]

2.3. Aufbau als Mehrkörper-Modell

Hier soll gezeigt werden, dass es theoretisch auch ohne die Nutzung von FE möglich ist, das statische und dynamische Verhalten des Turmes zu simulieren. Der Grundgedanke bei die- sem Modell besteht darin, dass ein flexibler Körper dadurch idealisiert wird, indem man ihn aus mehreren festen Körpern erstellt, und diese flexibel mit Federn verbindet. Hierzu wer- den Federelemente verwendet, die zwischen den Turmsegmenten befestigt sind und eine Verschiebung in der horizontalen Ebene zulassen. Eine Biegung des Turmes sollte danach wie in Abb.2.8. dargestellt aussehen. Eine durch die Massenschwerpunkte der einzelnen Bodys gelegte Kurve sollte der tatsächlichen Biegelinie des Turmes näherungsweise ent- sprechen. Bei einer entsprechenden Anzahl von Elementen sollte auch die Berechnung der ersten Eigenfrequenzen möglich sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7.: Ausgelenktes MKS-Modell (überzeichnet)

Fazit: In mehreren Ansätzen ließen sich die Federsteifigkeiten für die einzelnen Segmen- te nicht exakt berechnen. Weder die Turmkopfauslenkung noch die Eigenfrequenzen des Mehrkörpermodells lagen im Erwartungsbereich. Der Aufwand für die Weiterverfolgung die- ses Modellierungskonzepts erschien unvertretbar hoch. Ein entsprechender Ansatz ist von der TU Dresden veröffentlicht worden [TU-Dresden, 1997]. Dieser Ansatz wurde hier nicht weiter verfolgt, da er den Rahmen dieser Arbeit übersteigen würde.

Details

Seiten
73
Jahr
2006
ISBN (Buch)
9783640570409
Dateigröße
2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v146016
Institution / Hochschule
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg – Technik und Informatik
Note
2,0
Schlagworte
Windenergieanlagen SIMPACK Mechanische Simulation Mehrkörpersysteme Finite Elemente Fortran

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Titel: Beitrag zum Aufbau eines Simulationssystems für Windenergieanlagen mit SIMPACK