diff --git a/datas/statisch_nl_s_400_150.txt b/datas/statisch_nl_s_400_150.txt new file mode 100644 index 0000000..d0ecc70 --- /dev/null +++ b/datas/statisch_nl_s_400_150.txt @@ -0,0 +1,12 @@ +% Zeit [s] Minimum [MPa] Maximum [MPa] +0 0 0 0 +1 0.1 0. 6.5299 +2 0.2 0. 13.071 +3 0.3 0. 19.618 +4 0.4 0. 26.17 +5 0.5 0. 32.727 +6 0.6 0. 39.287 +7 0.7 0. 45.851 +8 0.8 0. 52.416 +9 0.9 0. 58.982 +10 1. 0. 65.547 \ No newline at end of file diff --git a/datas/statisch_nl_u_400_150.txt b/datas/statisch_nl_u_400_150.txt new file mode 100644 index 0000000..60df986 --- /dev/null +++ b/datas/statisch_nl_u_400_150.txt @@ -0,0 +1,12 @@ +% Zeit [s] Minimum [mm] Maximum [mm] +0 0 0 0 +1 0.1 0. 360.41 +2 0.2 0. 720.96 +3 0.3 0. 1080.6 +4 0.4 0. 1439.6 +5 0.5 0. 1797.7 +6 0.6 0. 2154.8 +7 0.7 0. 2510.9 +8 0.8 0. 2865.8 +9 0.9 0. 3219.4 +10 1. 0. 3571.7 \ No newline at end of file diff --git a/figures/Randbedingungen_Modal.png b/figures/Randbedingungen_Modal.png new file mode 100644 index 0000000..6e5db2f Binary files /dev/null and b/figures/Randbedingungen_Modal.png differ diff --git a/figures/Randbedingungen_Rotationsgeschwindigkeit.png b/figures/Randbedingungen_Rotationsgeschwindigkeit.png new file mode 100644 index 0000000..8a1eca9 Binary files /dev/null and b/figures/Randbedingungen_Rotationsgeschwindigkeit.png differ diff --git a/figures/Randbedingungen_Rotationsgeschwindigkeit_Beschleunigung.png b/figures/Randbedingungen_Rotationsgeschwindigkeit_Beschleunigung.png new file mode 100644 index 0000000..1b06594 Binary files /dev/null and b/figures/Randbedingungen_Rotationsgeschwindigkeit_Beschleunigung.png differ diff --git a/figures/WEA.png b/figures/WEA.png new file mode 100644 index 0000000..6eee13c Binary files /dev/null and b/figures/WEA.png differ diff --git a/main.tex b/main.tex index 8575ed1..5d59d00 100755 --- a/main.tex +++ b/main.tex @@ -61,11 +61,13 @@ ANSYS CATIA DOWEC WindPACT %\columnbreak %\setcounter{section}{1}\\ \include{./sections/Einleitung} -\include{./sections/Theorie} -\include{./sections/Modellentwicklung} -\include{./sections/Untersuchung} \clearpage\thispagestyle{empty} \null\newpage +\include{./sections/Theorie} +\include{./sections/Modellentwicklung} +\clearpage\thispagestyle{empty} +\null\newpage +\include{./sections/Untersuchung} \include{./sections/Schlussbetrachtung} %\end{multicols} diff --git a/sections/Appendix.tex b/sections/Appendix.tex index 4aa76a1..5a17e90 100755 --- a/sections/Appendix.tex +++ b/sections/Appendix.tex @@ -28,7 +28,31 @@ In diesem Abschnitt sind Skripte dargestellt, welche Grundlage dieser Arbeit sin \lstinputlisting[style=custom, basicstyle=\linespread{0.8}\ttfamily\tiny, caption={MATLAB Create\_CATIA\_Makro.m},label=lst:MATLAB-CATIA-Makro]{datas/Create_CATIA_Makro.m} %,label=lst:CATIA-Makro - +Zum Programmausdruck~\ref{lst:MATLAB-CATIA-Makro} haben die temporären Dateien die in den Programmausdrücken~\ref{lst:tmp-keypoints}, \ref{lst:tmp-sections} und~\ref{lst:tmp-lines} dargestellte Form. +% +\begin{lstlisting}[firstnumber=1, style=custom, language=bash, basicstyle=\ttfamily\scriptsize, caption={keypointsTemp.txt (7412 Zeilen): Geometrische Punkte}, label=lst:tmp-keypoints] +k,1,-1.64752,0.389762,0 +k,2,-1.65218,0.365811,0 +k,3,-1.66391,0.303277,0 +\end{lstlisting} +% +% +\begin{lstlisting}[firstnumber=1, style=custom, language=bash, basicstyle=\ttfamily\scriptsize, caption={sectionsTemp2.txt (976 Zeilen): Querschnitte}, label=lst:tmp-sections] +a,1,9,1009,1001 + aatt,,,32,1001,2 +a,9,13,1013,1009 + aatt,,,32,1001,5 +a,13,27,1027,1013 + aatt,,,32,1001,7 +\end{lstlisting} +% +% +\begin{lstlisting}[firstnumber=1, style=custom, language=bash, basicstyle=\ttfamily\scriptsize, caption={sectionsTemp2.txt (451 Zeilen): Oberflächenlinien}, label=lst:tmp-lines] +larea,9,1009,z_HP_area(1) +larea,13,1013,z_HP_area(1) +larea,27,1027,z_HP_area(1) +\end{lstlisting} +% \clearpage @@ -165,6 +189,88 @@ DOFs & 16 & 17 & 18 & 19 & 20 \\ + + + +\clearpage +\subsection{Tabelle zu Eigenfrequenzen}\label{appen:eigenfrequenz} +\markboth{Anhang}{} +In diesem Abschnitt sind in der Tabelle~\ref{tab:appen:eigenfrequenz} weitere Ergebnisse zu der Modalanalyse aufgelistet. +Die angegebenen Varianten entsprechen den Erklärungen in der Tabelle~\ref{tab:appen:eigenfrequenz:varianten}. +% +\begin{table}[H] +\caption{Varianten von Modalanalysen}\label{tab:appen:eigenfrequenz:varianten}\centering +\begin{tabular}{cl} +\toprule +Variante & Beschreibung \\ +\midrule + 1 & Boden Eingespannt \\ + 2 & Boden Eingespannt mit Nennumdrehungsgeschwindigkeit \\ + 3 & Boden Eingespannt mit Eigengewicht \\ + 4 & Boden Eingespannt mit Einzellasten an der Rotorblattspitze \\ + 5 & Boden Eingespannt mit Eigengewicht und Einzellasten \\ + 3 & Boden Eingespannt mit Eigengewicht und Rotation \\ + 4 & Boden Eingespannt mit Einzellasten und Rotation \\ + 5 & Boden Eingespannt mit Eigengewicht, Einzellasten und Rotation \\ +\bottomrule +\end{tabular} +\end{table}\vspace{-1em} +% +\begin{table}[H] +\caption{Tabelle zu Eigenfrequenzen}\label{tab:appen:eigenfrequenz}\centering +\begin{tabular}{rcccccccc} +\toprule + & \multicolumn{8}{l}{Variante} \\ +\# & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 \\ +\midrule +1 & 0,3215 & 0,3106 & 0,3166 & 0,3217 & 0,3165 & 0,3061 & 0,2984 & 0,2938 \\ +2 & 0,3221 & 0,3220 & 0,3171 & 0,3224 & 0,3171 & 0,3171 & 0,3224 & 0,3172 \\ +3 & 0,6781 & 0,5571 & 0,6884 & 0,6844 & 0,6865 & 0,5066 & 0,4473 & 0,4285 \\ +4 & 0,7055 & 0,6392 & 0,7254 & 0,7242 & 0,7247 & 0,6337 & 0,4878 & 0,4972 \\ +5 & 0,7474 & 0,6778 & 0,7495 & 0,7529 & 0,7496 & 0,6741 & 0,5724 & 0,5670 \\ +6 & 0,8951 & 0,8921 & 0,9187 & 0,9162 & 0,9172 & 0,9157 & 0,9249 & 0,9261 \\ +7 & 0,9430 & 0,9416 & 0,9572 & 0,9537 & 0,9554 & 0,9559 & 0,9654 & 0,9676 \\ +8 & 0,9615 & 0,9606 & 0,9725 & 0,9749 & 0,9717 & 0,9705 & 0,9837 & 0,9806 \\ +9 & 1,6530 & 1,6613 & 1,6748 & 1,6735 & 1,6739 & 1,6769 & 1,6723 & 1,6667 \\ +10 & 2,0201 & 2,1081 & 2,0999 & 2,1036 & 2,0993 & 2,0825 & 2,0557 & 2,0547 \\ +11 & 2,3438 & 2,6279 & 2,3613 & 2,3540 & 2,3551 & 2,5310 & 2,3854 & 2,3880 \\ +12 & 2,5321 & 2,6506 & 2,5740 & 2,5695 & 2,5697 & 2,6381 & 2,6045 & 2,5943 \\ +13 & 2,5378 & 2,7331 & 2,5895 & 2,5932 & 2,5879 & 2,7471 & 2,6917 & 2,6673 \\ +14 & 2,6894 & 2,9994 & 2,6970 & 2,6976 & 2,6937 & 2,9424 & 2,7528 & 2,7504 \\ +15 & 3,7200 & 3,7556 & 3,7981 & 3,7711 & 3,7720 & 3,8700 & 3,9425 & 3,9350 \\ +16 & 3,7270 & 3,7621 & 3,8230 & 3,7976 & 3,7979 & 3,9058 & 3,9427 & 3,9352 \\ +17 & 3,7599 & 3,7753 & 3,8887 & 3,8727 & 3,8682 & 3,9351 & 4,4860 & 4,4101 \\ +18 & 3,8063 & 3,8804 & 3,9351 & 3,9425 & 3,9350 & 3,9352 & 5,1418 & 5,1259 \\ +19 & 3,9425 & 3,9425 & 3,9352 & 3,9427 & 3,9353 & 3,9622 & 5,2405 & 5,2414 \\ +20 & 3,9427 & 3,9427 & 4,9389 & 4,9418 & 4,9356 & 6,6476 & 6,6657 & 7,0851 \\ +%1 & 0.32154 & 0.31068 & 0.3166 & 0.32171 & 0.31656 & 0.3061 & 0.29847 & 0.29385 \\ +%2 & 0.32211 & 0.32208 & 0.31714 & 0.32241 & 0.31719 & 0.31711 & 0.32242 & 0.3172 \\ +%3 & 0.67813 & 0.55712 & 0.68842 & 0.68444 & 0.68654 & 0.50665 & 0.44734 & 0.4285 \\ +%4 & 0.70557 & 0.63923 & 0.72543 & 0.72424 & 0.72474 & 0.63374 & 0.48783 & 0.49726 \\ +%5 & 0.7474 & 0.67781 & 0.74953 & 0.75296 & 0.74966 & 0.67415 & 0.57244 & 0.56707 \\ +%6 & 0.89515 & 0.89213 & 0.91876 & 0.91621 & 0.91725 & 0.91575 & 0.92498 & 0.92616 \\ +%7 & 0.94306 & 0.9416 & 0.95729 & 0.95378 & 0.95541 & 0.95594 & 0.96542 & 0.96767 \\ +%8 & 0.96158 & 0.96069 & 0.97255 & 0.97498 & 0.97178 & 0.97056 & 0.98374 & 0.98066 \\ +%9 & 1.653 & 1.6613 & 1.6748 & 1.6735 & 1.6739 & 1.6769 & 1.6723 & 1.6667 \\ +%10 & 2.0201 & 2.1081 & 2.0999 & 2.1036 & 2.0993 & 2.0825 & 2.0557 & 2.0547 \\ +%11 & 2.3438 & 2.6279 & 2.3613 & 2.354 & 2.3551 & 2.531 & 2.3854 & 2.388 \\ +%12 & 2.5321 & 2.6506 & 2.574 & 2.5695 & 2.5697 & 2.6381 & 2.6045 & 2.5943 \\ +%13 & 2.5378 & 2.7331 & 2.5895 & 2.5932 & 2.5879 & 2.7471 & 2.6917 & 2.6673 \\ +%14 & 2.6894 & 2.9994 & 2.697 & 2.6976 & 2.6937 & 2.9424 & 2.7528 & 2.7504 \\ +%15 & 3.72 & 3.7556 & 3.7981 & 3.7711 & 3.772 & 3.87 & 3.9425 & 3.935 \\ +%16 & 3.727 & 3.7621 & 3.823 & 3.7976 & 3.7979 & 3.9058 & 3.9427 & 3.9352 \\ +%17 & 3.7599 & 3.7753 & 3.8887 & 3.8727 & 3.8682 & 3.9351 & 4.486 & 4.4101 \\ +%18 & 3.8063 & 3.8804 & 3.9351 & 3.9425 & 3.935 & 3.9352 & 5.1418 & 5.1259 \\ +%19 & 3.9425 & 3.9425 & 3.9352 & 3.9427 & 3.9353 & 3.9622 & 5.2405 & 5.2414 \\ +%20 & 3.9427 & 3.9427 & 4.9389 & 4.9418 & 4.9356 & 6.6476 & 6.6657 & 7.0851 \\ +\bottomrule +\end{tabular} +\end{table}\vspace{-1em} + + + + + \clearpage \includepdfset{pagecommand={\thispagestyle{fancy}}} @@ -185,7 +291,7 @@ DOFs & 16 & 17 & 18 & 19 & 20 \\ \clearpage \includepdfset{pagecommand={\thispagestyle{empty}}} %\pdfsubsectiona{Datenblätter}\label{appen:datenblaetter} -\pdfsubsectiona{Erklärung zur selbständigen Bearbeitung}\label{appen:efbe} +%\pdfsubsectiona{Erklärung zur selbständigen Bearbeitung}\label{appen:efbe} \includepdf[pages=-,trim=0 0 0 0,clip,scale=1]{./pdfs/Selbststaendigkeitserklaerung.pdf} diff --git a/sections/Einleitung.tex b/sections/Einleitung.tex index f1a0b93..6fcc8d7 100755 --- a/sections/Einleitung.tex +++ b/sections/Einleitung.tex @@ -2,14 +2,25 @@ \newpage \thispagestyle{plain} \section{Einleitung}\label{sec:Einleitung} +Aufgrund steigender Industrialisierung und dem einhergehenden erhöhten Energieverbrauchs werden immer größere Anforderungen an die Energieproduktion gestellt. +Im Falle von fossile Energieträger, wie Kohle, Öl und Erdgas, ist bekannt dass diese zum einen endlich und zum anderen bei der Energieproduktion umweltbeinflussende Abgase entstehen. +Im Falle von Kernenergie zeigen hingegen wiederkehrende Unfälle die Risiken dieser Technologie. +Auch ohne diesen Unfälle besteht das Problem der Endlagerung des radioaktiven Abfalls. +Nach menschlichem Ermessen wird von den Endlagern aufgrund der Halbwertszeit immer eine Gefahr ausgehen. +Die Alternative \emph{Erneuerbare Energien} belastet zum einen nicht die Umwelt und ist unerschöpflich beziehungsweise erneuerbar. Zu der Kategorie der erneuerbaren Energie gehört die Windkraft als stärksten Vertreter, gefolgt von nachwachsende Rohstoffe (Biomasse und Hausmüll) und die Photovoltaik sowie die Wasserkraft und die Geothermie. +In dieser Arbeit liegt das Interesse an die Windkraft oder genauer den Aufbau eines diskreten Modells einer Windenergieanlage. +Der schematische Aufbau einer modernen Windenergieanlage ist auf der nächsten Seite in der Abbildung ~\ref{fig:wea} dargestellt. + Hintergrund der Masterthesis ist das an der HAW Hamburg durchgeführte Forschungsprojekt \glqq WindNumSim\grqq\ zur Entwicklung und Anwendung eines neuartigen Simulationsmodells zur strukturellen und akustischen Optimierung einer Windenergieanlage mit Hilfe von Fluid"=Struktur"=Interaktionen. Ziel dieser Masterthesis ist die Erstellung eines 3D"=Strukturmodells einer Windenergieanlage (5MW NREL-Anlage), welches die Komponenten Rotorblatt, Turm, Spinner und Gondel beinhaltet sowie anschließender 3D FEM-Berechnung für ausgewählte Lastfälle. -Die Bearbeitung umfasst die Erweiterung eines bestehenden parametrisierten Flächenmodells der Windenergieanlage mit CATIA\,V5 -und die Erstellung eines 3D-Strukturmodells der Windenergieanlage mit vollständigem Laminataufbau der Rotorblätter in ANSYS Workbench. -Sowie der Vernetzung der Struktur mit Schalenelementen und der Validierung des 3D-Strukturmodells anhand gegebener Literaturangaben. -Mit anschließender Durchführung von verschiedener strukturmechanischer Analysen, wie zum Beispiel der Modalanalyse, der dynamische Analyse und der statische Belastung durch das Windfeld. +Die Bearbeitung umfasst die Erweiterung eines bestehenden parametrisierten Flächenmodells der Windenergieanlage mit dem Programm CATIA\,V5 +sowie die Erstellung eines 3D-Strukturmodells der Windenergieanlage mit vollständigem Laminataufbau der Rotorblätter mit dem Programm ANSYS in der \emph{Workbench}"=Umgebung. +Hierbei wird das 3D"=Strukturmodell mit Schalenelementen vernetzt und anhand gegebener Literaturangaben validiert. +%Ebenso der Vernetzung der Struktur mit Schalenelementen und der Validierung des 3D-Strukturmodells anhand gegebener Literaturangaben. +Abschließend werden verschiedene strukturmechanische Analysen durchgeführt, wie zum Beispiel der Modalanalyse sowie der statischen und der dynamische Analyse. +%Mit anschließender Durchführung von verschiedener strukturmechanischer Analysen, wie zum Beispiel der Modalanalyse, der dynamische Analyse und der statische Belastung durch das Windfeld. %Die Bearbeitung umfasst die folgenden Punkte: %\begin{itemize} %\item Erweiterung eines bestehenden parametrisierten Flächenmodells der Windenergieanlage mit CATIA\,V5 @@ -19,7 +30,15 @@ Mit anschließender Durchführung von verschiedener strukturmechanischer Analyse %\item Durchführung verschiedener strukturmechanischer Analysen (z.B. Modalanalyse, %dynamische Analyse, statische Belastung durch das Windfeld o.ä.) %\end{itemize} -Die FEM-Berechnung wird mit dem Programm ANSYS durchgeführt. +Die FEM-Berechnung wird ebenfalls mit dem Programm ANSYS durchgeführt. + +% +\begin{figure}[H]\centering +\includegraphics[width=0.70\textwidth]{WEA.png} +\caption[Schematische Darstellung einer horizontalen Windenergieanlage]{Schematische Darstellung einer horizontalen Windenergieanlage \cite{hau08}} +\label{fig:wea} +\end{figure} \vspace{-1.5em} + \subsection{Forschungsprojekt} Das Forschungsprojekt an der \emph{Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg} zur \ac{WindNumSim}\footnote{WindNumSim, URL: \url{http://www.mp.haw-hamburg.de/pers/Graetsch/WindNumSim_main.htm}} ist ein vom \emph{Bundesministerium für Bildung und Forschung} im Rahmen der Förderlinie \glqq IngenieurNachwuchs\grqq\ 2012 im Programm \glqq Forschung an Fachhochschulen\grqq\ gefördertes Projekt. Projektpartner sind unter anderem die \emph{Helmut Schmidt Universität Hamburg} sowie die Firmen Senvion SE\footnote{Senvion SE ehemals bekannt als REpower Systems SE, URL: \url{http://senvion.com/de/}} und FE"=Design\footnote{FE-Design ein von Dassault Systèmes übernommenes Unternehmen, URL \url{http://www.fe-design.de}}. diff --git a/sections/Modellentwicklung.tex b/sections/Modellentwicklung.tex index c51318d..cc5afd7 100755 --- a/sections/Modellentwicklung.tex +++ b/sections/Modellentwicklung.tex @@ -186,8 +186,8 @@ Freq. & Beschreibung der Eigenform & FAST & ADAMS \\ \midrule \subsection{Computermodell} Die Forschungsanlage wird als Flächenmodell angenähert. Ein grundlegendes Computermodell ist durch die Arbeit \emph{Entwicklung eines 3D"=Geometriemodells und numerische Strömungssimulation einer Windenergieanlage} \cite{Prange14} von \citeauthor{Prange14} entstanden und validiert. -Das dabei verwendete \ac{CAD}-Programm ist \emph{CATIA\,V5} von der Firma \emph{Dassault Systèmes}, mit dem die dreidimensionale Geometrieerzeugung erfolgte. -Alle erforderliche Modifikationen zur Simulation werden ebenfalls mit dem \ac{CAD}-Programm \emph{CATIA\,V5} durchgeführt. +Das dabei verwendete \acs{CAD}-Programm ist \emph{CATIA\,V5} von der Firma \emph{Dassault Systèmes}, mit dem die dreidimensionale Geometrieerzeugung erfolgte. +Alle erforderliche Modifikationen zur Simulation werden ebenfalls mit dem \acs{CAD}-Programm \emph{CATIA\,V5} durchgeführt. Unter den Modifikationen fallen diverse Schnitte, die in das 3D"=Flächenmodell hinzugefügt werden und damit die nötige Möglichkeit bieten Materialparameter vorgeben zu können. Die Abbildung \ref{fig:ComputermodellCATIA} links zeigt das übernommene und rechts das durch den nachstehenden Modifikationen angepasste Computermodell. \begin{figure}[H]\centering @@ -667,9 +667,9 @@ In der Abbildung~\ref{fig:Dicke} ist für das Rotorblatt der Dickenverlauf zu de \caption{Dickenverlauf zu den Lagenaufbauten im Rotorblatt}\label{fig:Dicke} \end{figure} \vspace{-.5em} % -Vertikal ist entsprechend der Tabelle~\ref{tab:Lagenaufbauten} und Abbildung~\ref{fig:Querschnitt} die Lagenaufbaunummer über den Umfang und -horizontal der Abstand von dem Lagenaufbau zu der Rotornabe angegeben. -Es ist zu sehen, dass an die Dicke mit dem zu erwartenden Momemtenverlauf übereinstimmt. +Vertikal ist entsprechend der Tabelle~\ref{tab:Lagenaufbauten} und Abbildung~\ref{fig:Querschnitt} die Lagenaufbaunummer über den Umfang angegeben. +Horizontal ist der Abstand von dem Lagenaufbau zu der Rotornabe angegeben. +Es ist zu sehen, dass die Lagendicke mit dem zu erwartenden Momemtenverlauf übereinstimmt. In der Abbildung~\ref{fig:Dicke:Material} sind die Dickenverläufe differenziert zu den unterschiedlichen Materialien im Rotorblatt dargestellt. % @@ -1044,8 +1044,9 @@ Konvergenzstudie zur maximalen Vergleichsspannung und der maximalen Verformung i Konvergenzstudie zur maximalen Vergleichsspannung $\sigma\ti{Mises}$~\ref{pgfplots:konvergenz:sigma} und der maximalen Verformung $U$~\ref{pgfplots:konvergenz:u} infolge einer Einzellast von 80\,kN an der Blattspitze }\label{fig:konvergenz:statik:Einzellast} \end{figure} \vspace{-.5em} -%Kantenlängen von \unit{70}{mm}. -Gegenübergestellt werden die Spannungs- und Verformungswerten beziehungsweise die Eigenfrequenzwerten die Anzahl von Freiheitsgrade, dessen Intervall von etwa 40.000 bis 1.000.000 verläuft. +% +Kantenlängen von \unit{70}{mm}. +In den Abbildungen~\ref{fig:konvergenz:statik:Eigengewicht}, \ref{fig:konvergenz:statik:Einzellast} und~\ref{fig:konvergenz:modal} werden die Spannungs- und Verformungswerten beziehungsweise die Eigenfrequenzwerten mit der Anzahl von Freiheitsgrade gegenübergestellt, dessen Intervall von etwa 40.000 bis 1.000.000 verläuft. Wie sich in Abbildung~\ref{fig:konvergenz:statik:Eigengewicht} und \ref{fig:konvergenz:statik:Einzellast} zeigt, ist sowohl für die Verformung als auch für die Spannung die Konvergenz erreicht. @@ -1108,7 +1109,7 @@ Für die nachfolgenden Berechnungen wurde ein Netz mit über 650 Tausend Freiheitsgrade gewählt, siehe auch Abbildung~\ref{fig:Netz}. Dies entspricht eine durchschnittliche Elementkantenlänge im Rotorblatt von \unit{150}{mm}. -Weitere netzbezogene Eigenschaften sind in der Tabelle \ref{tab:Netz} aufgelistet. +Weitere netzbezogene Eigenschaften zu dem gewählten Netz sind in der Tabelle \ref{tab:Netz} aufgelistet. % @@ -1131,8 +1132,8 @@ Weitere netzbezogene Eigenschaften sind in der Tabelle \ref{tab:Netz} aufgeliste \end{tabular} \end{table}\vspace{-1em}% % http://www-brs.ub.ruhr-uni-bochum.de/netahtml/HSS/Diss/BaitschMatthias/diss.pdf -Die nachfolgende Lasteinleitung wird mittels spezieller Flächenelemente (SURF154) realisiert, mit denen die Flächenlast in äquivalente Knotenlasten umgerechnet wird. -%Diese Elemente leisten keinen Beitrag zur Systemsteifigkeit. +Für die Lasteinleitung werden spezielle Flächenelemente (SURF154) verwendet, mit denen die Flächenlasten in äquivalente Knotenlasten umgerechnet wird. +Diese Elemente leisten keinen Beitrag zur Systemsteifigkeit. @@ -1152,7 +1153,7 @@ Die Randbedingung für die Berechnung infolge von Eigengewicht ist in Abbildung~ Hierbei ist die Anlage zum Boden hin fixiert sowie insgesamt mit der Erdbeschleunigung von \(\unit{9,8066}{m/s^2}\) belastet. % \begin{figure}[H]\centering -\includegraphics[width=0.48\textwidth]{Randbedingungen_Beschleunigung.png} +\includegraphics[width=0.65\textwidth]{Randbedingungen_Beschleunigung.png} \caption{Statische Randbedingungen Eigengewicht} \label{fig:Randbedingungen:statisch:Eigengewicht} \end{figure} \vspace{-1.5em} @@ -1161,7 +1162,7 @@ Hierbei ist die Anlage zum Boden hin fixiert sowie insgesamt mit der Erdbeschleu \textsf{\textbf{Einzellasten}} \\\nopagebreak Die Randbedingung für die Berechnung infolge von Einzellasten ist in Abbildung~\ref{fig:Randbedingungen:statisch:Einzellast} dargestellt. -Hierbei ist die Anlage zum Boden hin fixiert sowie mit Einzellasten von \unit{80}{kN} an den Rotorblattspitzen belastet. +Hierbei ist die Anlage zum Boden hin fixiert sowie mit den Einzellasten von \unit{80}{kN} an den Rotorblattspitzen belastet. In Abbildung~\ref{fig:Randbedingungen:statisch:Einzellast} rechts ist für die Berechnung mit Eigengewicht zusätzlich die Erdbeschleunigung von \(\unit{9,8066}{m/s^2}\) dargestellt. % \begin{figure}[H]\centering @@ -1171,11 +1172,25 @@ In Abbildung~\ref{fig:Randbedingungen:statisch:Einzellast} rechts ist für die B \label{fig:Randbedingungen:statisch:Einzellast} \end{figure} \vspace{-1.5em} -%\vspace{.5em} -%\textsf{\textbf{Stationäre}} -%\\\nopagebreak +\vspace{.5em} +\textsf{\textbf{Modalanalyse}} +\\\nopagebreak % -\subsubsection{Analyseparameter} -Für die Modalanlyse mit Rotationsgeschwindigkeit wird für den Löser entsprechend die Dämpfung und der Coriolis"=Effekt aktiviert. +Die Randbedingung für die Modalanalyse ist in Abbildung~\ref{fig:Randbedingungen:modal} dargestellt. +Hierbei ist die Anlage ausschließlich zum Boden hin fixiert. +In Abbildung~\ref{fig:Randbedingungen:modal} rechts werden den Rotorblättern die stationäre Nennumdrehungsgeschwindigkeit von \(\unit{12,\,1}{min^{-1}}\) zugewiesen. +% +\begin{figure}[H]\centering +\includegraphics[width=0.44\textwidth]{Randbedingungen_Modal.png} +\includegraphics[width=0.48\textwidth]{Randbedingungen_Rotationsgeschwindigkeit.png} +\caption[Randbedingungen zur Modalanalyse]{Randbedingungen zur Modalanalyse, rechts mit Nennumdrehungsgeschwindigkeit von $\unit{9,8066}{m/s^2}$} +\label{fig:Randbedingungen:modal} +\end{figure} \vspace{-1.5em} -Für die geometrisch nichtlineare statische Analyse wird + + +\subsubsection{Analyseparameter} +Für die Modalanalyse mit Rotationsgeschwindigkeit wird für den Löser entsprechend die Dämpfung und der \textsc{Coriolis}"=Effekt aktiviert. + +Für die geometrisch nichtlineare statische Analyse wird für den Löser entsprechend große Verformung aktiviert. +Das lösen erfolgt hierbei in zehn Unterschritten. diff --git a/sections/References.bib b/sections/References.bib index e931de3..c1a059d 100755 --- a/sections/References.bib +++ b/sections/References.bib @@ -139,6 +139,17 @@ edition = {}, gender={sm}, } +@BOOK{hau08, + author = {Hau, Erich}, + title = {Windkraftanlagen}, + subtitle = {Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit}, + publisher = {Springer"=Verlag Berlin}, + year = {2008}, + address = {Berlin Heidelberg}, + edition = {4}, + isbn = {978-3-540-72150-5}, + gender={sm}, +} @BOOK{tm409, author = {Gross, Dietmar and Hauger, Werner and Wriggers, Peter}, title = {Technische Mechanik}, diff --git a/sections/Schlussbetrachtung.tex b/sections/Schlussbetrachtung.tex index a1603a8..7334c6f 100755 --- a/sections/Schlussbetrachtung.tex +++ b/sections/Schlussbetrachtung.tex @@ -5,7 +5,25 @@ \subsection{Zusammenfassung} +Diese Masterarbeit entstand in dem Forschungsprojekt \ac{WindNumSim} an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg. +Das im Laufe dieser Arbeit modifizierte Computermodell und erzeugte Simulationsmodell einer Windenergieanlage basiert auf den Daten des \acf{NREL} und der Masterarbeiten~\cite{Prange14} sowie des Masterprojekts~\cite{MP15}. +Die Modifizierung des Computermodells erfolgt mit dem CAD"=Programm CATIA\,V5 und die Erstellung des Simulationsmodells mit FEM"=Programm ANSYS\,15. +Mit Hilfe von Makros werden die gegebenen Koordinaten zu den Lagenaufbauten eingelesen und in das Computermodell eingebaut. +Das Computermodell wird anhand den Daten geschnitten und anschließend wieder verbunden. +Hierbei entstehen die benötigten Domänen für die spätere Zuweisung der Lageraufbauten im Simulationsmodell. +Durch die Verwendung des Makros ist das Einlesen verschiedener Koordinaten zu einzelnen Domänen möglich. +Für das Simulationsmodells wird zu jeder Domäne einzelne Dateien generiert, die anschließend in das Simulationsmodell eingebunden werden. +Diese Dateien beinhalten zu den jeweiligen Lagenaufbauen die Materialzusammensetzung mit entsprechenden Informationen der Schichtdicken und der ersten Hauptausrichtung beziehungsweise der Faserrichtung. + +%Das erzeugte Simulationsmodell umfasst die komplette Windenergieanlage. + +Bei der Simulation der kompletten Windenergieanlage kommt es zu einer guten Übereinstimmung der Eigenfrequenzen mit den Balkenmodellen des \ac{NREL}"=Berichts. +Ebenso kann je Rotorblatt bis zu einer integrierten Kraft von \unit{100}{kN} linear gerechnet werden. +Die Abweichung zur geometrisch nichtlinearen Rechnung beträgt mit einer Kraft von \unit{80}{kN} weniger als 6 Prozent. \subsection{Ausblick} - +Das in der vorliegenden Masterarbeit entwickelte Strukturmodell bildet die Grundlage für das Forschungsprojekt \ac{WindNumSim} zur Simulation des Strukturverhaltens mit der FEM. +Zusammen mit einem entsprechenden Fluidmodell bildet die beiden Modelle hingegen die Grundlage der Analyse mit \acf{FSI}. +Hiermit können Windgeschwindigkeiten vorgegeben und als Belastung der Struktur übertragen werden, genannt \emph{Einwege-\ac{FSI}}. +Die darauf folgende Verformung der Anlage hat wiederum Einfluss auf das Strömungsverhalten des Fluides und somit rückwirkend auf die Belastung der Anlage. In diesem Fall spricht man von einer \emph{Zweiwege"=\ac{FSI}}. \ No newline at end of file diff --git a/sections/Title.tex b/sections/Title.tex index 606f7db..2ab5d16 100755 --- a/sections/Title.tex +++ b/sections/Title.tex @@ -7,7 +7,7 @@ \node[] (SW) at (current page.south west) {}; \node[] (SE) at (current page.south east) {}; %\node[below right] at ($(NW)+(7.5cm,-0.9cm)$) {\fontfamily{phv}\fontsize{16pt}{1em}\selectfont\color{red}STRENG VERTRAULICH}; - \node[below, align=flush center] at ($(N)+(0,-0.9cm)$) {\fontfamily{phv}\fontsize{16pt}{1em}\selectfont\color{red}IN ARBEIT \\ \today}; + %\node[below, align=flush center] at ($(N)+(0,-0.9cm)$) {\fontfamily{phv}\fontsize{16pt}{1em}\selectfont\color{red}IN ARBEIT \\ \today}; \node[below left,text width=16cm, align=flush right] at ($(NE)+(-2.5cm,-11.5cm)$) {\fontfamily{phv}\fontseries{b}\fontsize{20pt}{1em}\selectfont \DOCUMENTTYPE}; \node[below left,text width=16cm, align=flush right] (author) at ($(NE)+(-2.5cm,-14.0cm)$) {\fontfamily{phv}\fontsize{14pt}{1em}\selectfont \AUTHOR}; \node[below left,text width=16cm, align=flush right] at ($(author.south east)+(0,-0.5cm)$) {\fontfamily{phv}\fontseries{b}\fontsize{18pt}{1em}\selectfont \TITLE}; diff --git a/sections/Untersuchung.tex b/sections/Untersuchung.tex index 1b54a8f..10569bd 100755 --- a/sections/Untersuchung.tex +++ b/sections/Untersuchung.tex @@ -8,7 +8,8 @@ Dieser Abgleich soll ebenfalls als Verifikation des Simulationsmodells dienen. \subsection{Modalanalyse} -Die Tabelle~\ref{tab:U:Modal} listet die berechneten Eigenfrequenzen der Windenergieanlage auf. +Die Tabelle~\ref{tab:U:Modal} listet die berechneten Eigenfrequenzen der Windenergieanlage mit und ohne der Nennumdrehungsgeschwindigkeit von \(\unit{12,\,1}{min^{-1}}\) auf. +Am Ende dieses Abschnittes werden in der Abbildung~\ref{fig:U:Modal} die ersten zwölf Eigenformen der Windenergieanlage dargestellt. % SOURCE: 506418 200_350.txt \begin{table}[H] \caption[Eigenfrequenzen der Windenergieanlage]{Eigenfrequenzen der Windenergieanlage}\label{tab:U:Modal}\centering @@ -41,8 +42,8 @@ Die Tabelle~\ref{tab:U:Modal} listet die berechneten Eigenfrequenzen der Windene \end{spreadtab} \end{table}\vspace{-1em} -In der Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich} und \ref{tab:U:Modalvergleich:rot} wird die berechnete Eigenfrequenzen der Anlage mit den Ergebnisses aus dem \ac{NREL}"=Bericht verglichen. -Im Gegensatz zu der Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich}, berücksichtigt die Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich:rot} die Nennumdrehungsgeschwindigkeit von \unit{12,\,1}{min^{-1}}. +In der Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich} und \ref{tab:U:Modalvergleich:rot} werden die berechneten Eigenfrequenzen der Anlage mit den Ergebnisses aus dem \ac{NREL}"=Bericht verglichen. +Im Gegensatz zu der Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich}, berücksichtigt die Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich:rot} die Nennumdrehungsgeschwindigkeit. \begin{table}[H] \caption[Vergleich der Eigenfrequenzen mit der NREL-Ausgangs-WEA]{Vergleich der Eigenfrequenzen mit der NREL-Ausgangs-WEA}\label{tab:U:Modalvergleich}\centering \STsetdecimalsep{{,}} @@ -91,8 +92,10 @@ Im Gegensatz zu der Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich}, berücksichtigt die Tabe \end{table}\vspace{-1em} In Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich} ist eine gute Übereinstimmung der berechneten Eigenfrequenzen mit den Eigenfrequenzen aus dem \ac{NREL}"=Bericht zu erkennen. +Im Mittel liegt eine Abweichung von zehn Prozent vor, siehe auch Abbildung~\ref{fig:U:Abweichung}. -\begin{figure}[H]\vspace{-0.5em}\centering +\begin{figure}[H]%\vspace{-0.5em} +\centering \begin{tikzpicture}[scale=0.85] \begin{axis}[ ybar=0pt, @@ -155,8 +158,6 @@ coordinates \end{figure} \vspace{-0.5em} - - \begin{table}[H] \caption[Vergleich der Eigenfrequenzen mit der NREL-Ausgangs-WEA mit Nennumdrehungsgeschwindigkeit]{Vergleich der Eigenfrequenzen mit der NREL-Ausgangs-WEA mit Nennumdrehungsgeschwindigkeit}\label{tab:U:Modalvergleich:rot}\centering \STsetdecimalsep{{,}} @@ -184,7 +185,14 @@ coordinates \end{spreadtab} \end{table}\vspace{-1em} -\begin{figure}[H]\vspace{-0.5em}\centering + +Auch in Tabelle~\ref{tab:U:Modalvergleich:rot} ist eine gute Übereinstimmung der berechneten Eigenfrequenzen mit den Eigenfrequenzen aus dem \ac{NREL}"=Bericht zu erkennen. +Im Mittel liegt ebenfalls eine Abweichung von zehn Prozent vor, siehe auch Abbildung~\ref{fig:U:Abweichung:rot}. +Tendenziell ist die Abweichung mit Nennumdrehungsgeschwindigkeit um ein Prozent geringer und damit in besserer Übereinstimmung mit den Angaben des \ac{NREL}"=Berichts. + + +\begin{figure}[H]%\vspace{-0.5em} +\centering \begin{tikzpicture}[scale=0.85] \begin{axis}[ ybar=0pt, @@ -260,7 +268,7 @@ coordinates \subsection{Statische Analyse} \paragraph{Eigengewicht}~\\\nopagebreak -% +Die Abbildung~\ref{fig:Untersuchung:statisch:Eigengewicht} und~\ref{fig:Untersuchung:statisch:Eigengewicht:max} zeigen die Spannungsverläufe der statischen Analyse unter Eingengewicht mit einer Erdbeschleunigung von \(\unit{9,8066}{m/s^2}\). \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=0.98\textwidth]{Eigengewicht_sig.png} \caption[Statische Analyse aufgrund Eigengewicht]{Statische Analyse aufgrund Eigengewicht mit einem Überhöhungsfaktor von 25} @@ -269,25 +277,32 @@ coordinates % \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=0.75\textwidth]{Eigengewicht_sig_max_blattrand.png} -\caption[Detail der statische Analyse aufgrund Eigengewicht]{Detail der statische Analyse aufgrund Eigengewicht} +\caption[Detail zu der maximalen Spannung der statische Analyse aufgrund Eigengewicht]{Detail zu der maximalen Spannung der statische Analyse aufgrund Eigengewicht} \label{fig:Untersuchung:statisch:Eigengewicht:max} \end{figure} \vspace{-1.5em} - +In der Abbildung~\ref{fig:Untersuchung:statisch:Eigengewicht:max} ist die maximale Spannung der Anlage dargestellt. Aufgrund des starken Spannungsgradienten ist von Randeffekten der Schalenelemente auszugehen. Im Mittel ist die gesamte Anlage unter \(\unit{20}{MPa}\) belastet. \paragraph{Einzellast}~\\\nopagebreak +Die Abbildungen~\ref{fig:Untersuchung:statisch:Einzellast} und~\ref{fig:Untersuchung:statisch:Einzellast:max} zeigen die Spannungsverläufe der statischen Analyse aufgrund von Einzelkraftbelastungen von \unit{80}{kN} an den Rotorblattspitzen. % \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=0.98\textwidth]{Einzellast_sig.png} \caption[Statische Analyse aufgrund Einzellast an den Rotorblattspitzen]{Statische Analyse aufgrund Einzellast von \unit{80}{kN} an den Rotorblattspitzen mit einem Überhöhungsfaktor von 2,6} \label{fig:Untersuchung:statisch:Einzellast} -\end{figure} \vspace{-1.5em} +\end{figure} \vspace{-1.0em} %\vspace{-1.5em} +% +In der Abbildung~\ref{fig:Untersuchung:statisch:Einzellast:max} ist die maximale Spannung der Anlage dargestellt. +Für den Belastungsfall mit Einzellasten an den Rotorblattspitzen liegt die größte Spannung in den Längsversteifungen der Rotorblätter vor. +Im Mittel ist die gesamte Anlage unter \(\unit{30}{MPa}\) belastet. % \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=0.98\textwidth]{Einzellast_sig_max_im_blatt.png} -\caption[Detail der statische Analyse aufgrund Einzellast an den Rotorblattspitzen]{Detail der statische Analyse aufgrund Einzellast von \unit{80}{kN} an den Rotorblattspitzen mit einem Überhöhungsfaktor von 2,6} +\caption[Detail zu der maximalen Spannung der statische Analyse aufgrund Einzellast an den Rotorblattspitzen]{Detail zu der maximalen Spannung der statische Analyse aufgrund Einzellast von \unit{80}{kN} an den Rotorblattspitzen mit einem Überhöhungsfaktor von 2,6} \label{fig:Untersuchung:statisch:Einzellast:max} \end{figure} \vspace{-1.5em} + + %\begin{table}[H] %\caption{Statische Analyse}\label{tab:U:statisch}\centering %\begin{tabular}{llrlrlrl} @@ -306,7 +321,9 @@ coordinates %\bottomrule %\end{tabular} %\end{table}\vspace{-1em} -Tabelle~\ref{tab:U:statisch} +Eine Gegenüberstellung der statischen Ergebnissen erfolgt in der Tabelle~\ref{tab:U:statisch}. +Zusätzlich zu den gezeigten Belastungsfällen wurde eine kombinierte Belastung von Eigengewicht und Einzellasten durchgeführt. +Ebenso wurde gegenüber den linearen Rechnungen eine geometrisch nichtlineare Analyse für den Belastungsfall mit Einzellasten an den Rotorblattspitzen durchgeführt, siehe dazu auch Abbildung~\ref{fig:U:statisch:nl}. \begin{table}[H] \caption{Statische Analyse}\label{tab:U:statisch}\centering \begin{tabular}{lcclrlrl} @@ -316,11 +333,14 @@ Art der Rechnung & Verformung in mm & Spannung in MPa \\ Eigengewicht & 446,84 & 53,520 \\ Einzellast \(F=\unit{80}{kN}\) an Rotorblattspitze & 3630,4 & 64,146 \\ Einzellast und Eigengewicht & 3797,5 & 74,295 \\ -Geometrisch Nichtlinear mit Einzellast & 3601,4 & 65,901 \\ +Geometrisch Nichtlinear mit Einzellast & 3571,7 & 65,547 \\ \bottomrule \end{tabular} \end{table}\vspace{-1em} -~ +% +Die Abweichung der nichtlinearen zu der linearen Analyse beträgt 5,9 Prozent bezüglich der maximalen Verformungen und 2,7 Prozent mit Bezug zu der maximalen Spannungen. +Auch die Abbildung~\ref{fig:U:statisch:nl} zeigt das lineare Verhalten der geometrisch nichtlinearen Rechnung. +Resultierend kann gesagt werden, dass mit integrierten Kräften, in der Größenordnung von \(\unit{80}{kN}\), auf den jeweiligen Rotorblatt linear gerechnet werden kann. % \begin{figure}[H]\centering %!htb \begin{tikzpicture}[] @@ -337,7 +357,7 @@ Geometrisch Nichtlinear mit Einzellast & 3601,4 & 65,901 \\ xmin=0, xmax=1.05, ymin=0, - ymax=3700, + ymax=3750, xlabel={Zeit $t$ in s}, ylabel={Max.\,Verformung $U$ in mm}, yticklabel style={ /pgf/number format/.cd,fixed,fixed zerofill,precision=0}, @@ -346,10 +366,17 @@ Geometrisch Nichtlinear mit Einzellast & 3601,4 & 65,901 \\ nodes=right, font=\small, }, - legend pos=south west, + legend pos=south east, ] - \pgfplotstableread{datas/statisch_nl_u_1000_300.txt}\datatable - \addplot[matlab2, thick, mark=x] table[x index=1, y index=3,skip first n=1] from \datatable; + \addplot[matlab3, thick] table{ + 0 0 + 1 3630.4 + }; + \pgfplotstableread{datas/statisch_nl_u_400_150.txt}\datatable + \addplot[matlab7, thick, mark=x] table[x index=1, y index=3,skip first n=1] from \datatable; + % matlab2 + \addlegendentry{linear} + \addlegendentry{nichtlinear} \end{axis} \end{tikzpicture}% \hfill @@ -367,7 +394,7 @@ Geometrisch Nichtlinear mit Einzellast & 3601,4 & 65,901 \\ xmin=0, xmax=1.05, ymin=0, - ymax=70, + ymax=67, xlabel={Zeit $t$ in s}, ylabel={Max.\,Spannung $\sigma\ti{Mises}$ in MPa}, yticklabel style={ /pgf/number format/.cd,fixed,fixed zerofill,precision=0}, @@ -376,10 +403,17 @@ Geometrisch Nichtlinear mit Einzellast & 3601,4 & 65,901 \\ nodes=right, font=\small, }, - legend pos=south west, + legend pos=south east, ] - \pgfplotstableread{datas/statisch_nl_s_1000_300.txt}\datatable + \addplot[matlab5, thick] table{ + 0 0 + 1 64.146 + }; + \pgfplotstableread{datas/statisch_nl_s_400_150.txt}\datatable \addplot[matlab1, thick, mark=x] table[x index=1, y index=3,skip first n=1] from \datatable; + % matlab6 + \addlegendentry{linear} + \addlegendentry{nichtlinear} \end{axis} \end{tikzpicture}% \caption[ @@ -390,4 +424,4 @@ Geometrisch nichtlineare statische Analyse \end{figure} \vspace{-.5em} %\vspace{-1.5em} % -\subsection{Transiente Analyse} \ No newline at end of file +%\subsection{Transiente Analyse} \ No newline at end of file