Einleitung und Modellentwicklung - Forschungsanlage und Computermodell erweitert

sections/Einleitung.tex

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 \thispagestyle{plain}
 \section{Einleitung}\label{sec:Einleitung}
+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 folgenden Punkte:
+\begin{itemize}
+\item Erweiterung eines bestehenden parametrisierten Flächenmodells der Windenergie-
+anlage mit CATIA V5
+\item Erstellung eines 3D-Strukturmodells der Windenergieanlage mit vollständigem
+Laminataufbau der Rotorblätter in ANSYS Workbench
+\item Vernetzung der Struktur mit Schalenelementen
+\item Validierung des 3D-Strukturmodells anhand gegebener Literaturangaben
+\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.
 
 \subsection{Forschungsprojekt}
-\ac{WindNumSim}\footnote{URL: \url{http://www.mp.haw-hamburg.de/pers/Graetsch/WindNumSim_main.htm}}
+Das Forschungsprojekt zur \ac{WindNumSim}\footnote{URL: \url{http://www.mp.haw-hamburg.de/pers/Graetsch/WindNumSim_main.htm}}
 
 \subsection{Windenergieanlage}
 \ac{NREL}\footnote{URL: \url{http://www.nrel.gov/}}
@@ -12,7 +28,7 @@
 
 \subsection{Modellbildung}
 Zur Modellbildung der \ac{WEA} kommen unterschiedliche Programme zum Einsatz.
-Die dreidimensionale Geometrieerzeugung erfolgt mit dem CAD"=Programm \emph{CATIA\,V5} von der Firma \emph{Dassault Systèmes}\footnote{URL: \url{http://www.3ds.com/de/}}.
-Die Simulation hingegen erfolgt mit dem FEM"=Programm \emph{ANSYS Mechanical} von der Firma \emph{ANSYS}\footnote{URL: \url{http://www.ansys.com/de_de}} über die \emph{ANSYS Workbench} in der 15. Version.
+Die dreidimensionale Geometrieerzeugung erfolgt mit dem \acs{CAD}"=Programm \emph{CATIA\,V5} von der Firma \emph{Dassault Systèmes}\footnote{URL: \url{http://www.3ds.com/de/}}.
+Die Simulation hingegen erfolgt mit dem \acs{FEM}"=Programm \emph{ANSYS Mechanical} von der Firma \emph{ANSYS}\footnote{URL: \url{http://www.ansys.com/de_de}} über die \emph{ANSYS Workbench} in der 15. Version.
 
 

sections/Modellentwicklung.tex

@@ -5,7 +5,31 @@
 
 
 \subsection{Forschungsanlage}
-
+Grundlegende Eigenschaften der Forschungsanlage sind aus dem \ac{NREL}-Bericht \cite{NREL09} entnommen. Tabelle \ref{tab:NRELEigenschaften} listet die von \ac{NREL} grobschlägig ausgewählten Eigenschaften der Windenergieanlage auf.
+\begin{table}[H]
+\caption[Grobschlägige ausgewählte Eigenschaften der NREL 5-MW Ausgangs"=Windenergieanlage]{Grobschlägige ausgewählte Eigenschaften der NREL 5-MW Ausgangs"=Windenergieanlage \cite{NREL09}}\label{tab:NRELEigenschaften}\centering
+\begin{tabular}{llllllll}
+\toprule
+%Abk. & Bezeichnung    & $L\ti{min}$ & $D$ & $s_1$ & $s_2$ & $a$ & $b$ \\ \midrule
+Nennleistung & \unit{5}{MW} \\
+Rotorausrichtung & Aufwind (Luv-Läufer) \\
+Ausstattung & 3 Rotorblätter \\
+%Steuerung & drehzahlvariabel, kollektiver Blattanstellwinkel \\
+%Drivetrain & High Speed, Multiple-Stage Gearbox \\
+Rotor-, Nabendurchmesser & \unit{126}{m}, \unit{3}{m} \\
+Nabenhöhe & \unit{90}{m} \\
+Einschalt-, Nenn-, Abschalt-Windgeschwindigkeit & \unit{3}{m/s}; \unit{11,\!4}{m/s}; \unit{25}{m/s} \\
+Einschalt-, Nenn-Umdrehungsgeschwindigkeit & \unit{6,\!9}{min^{-1}}; \unit{12,\!1}{min^{-1}} \\
+Nenngeschwindigkeit an der Blattspitze & \unit{80}{m/s} \\
+Überhang (Maß zw. Turmachse und Rotorebene)& \unit{5}{m} \\
+Rotorwellenneigung, Precone & 5º; 2,5º \\
+Rotormasse & \unit{110.000}{kg} \\
+Gondelmasse & \unit{240.000}{kg} \\
+Turmmasse & \unit{347.460}{kg} \\
+Koordinaten zum Massenschwerpunkt & \unit{(-0,\!2;~ 0,\!0;~ 64,\!0)}{m} \\
+\bottomrule
+\end{tabular}
+\end{table}\vspace{-1em}
 
 \subsubsection{Rotorblatt}
 
@@ -21,13 +45,32 @@
 
 
 \subsection{Computermodell}
-NOTE: Computermodell validiert durch Masterthesis von Svenja Prange.
-
+Die Forschungsanlage wird als Flächenmodell angenähert.
+Ein grundlegendes Computermodell ist durch die Arbeit \cite{Prange14} von Frau Prange validiert. Abbildung \ref{fig:ComputermodellCATIA} links zeigt das übernommene und rechts das durch den nachstehenden Modifikationen angepasste Computermodell.
 \begin{figure}[H]\centering
-\includegraphics[width=0.55\textwidth]{Computermodell.png}
-\caption{Computermodell}
+\includegraphics[height=0.7\textwidth]{Computermodell.png}
+\includegraphics[height=0.7\textwidth]{Computermodell_neu.png}
+\caption{Computermodell der Windenergieanlage}
 \label{fig:ComputermodellCATIA}
 \end{figure} \vspace{-1.5em}
+Diesem Computermodell 
+ist für ein hinreichendes mechanisches Modell beziehungsweise \ac{FEM}"=Modell 
+%sind für gewünschte \ac{FEM}"=Simulationen
+Steifigkeiten und Massen zuzuweisen.
+% weitere Elemente hinzugefügt werden, damit es zu einem hinreichenden mechanisches Modell beziehungsweise \ac{FEM}"=Modell wird. Gemeint sind insbesondere Steifigkeiten 
+
+[REF] Versuche im Forschungsprojekt \ac{WindNumSim} zeigten, dass das Nachbilden der Steifigkeiten für das Rotorblatt nicht trivial sind.
+Somit ist es beispielsweise unmöglich, bezogen auf das Computermodell, die Steifigkeit mit einem isotropen Werkstoff nachzuempfinden.
+Erste Überlegungen die Steifigkeit für das Rotorblatt abzubilden wurden in einem vorangegangenen Masterprojekt~\citep{MP15} durchgeführt. Als Resultat wird eine Modellierung nach \ac{SNL} gewählt, welches ein in \acs{MATLAB} geschriebenes Programm speziell zur Berechnung von Rotorblättern entwickelte.
+Dieses Programm -- genannt \acs{NuMAD} -- erstellt ein in \emph{\ac{APDL}} geschriebene Datei. Die Abbildung \ref{fig:LageraufbautenAPDL} zeigt das Ergebnis der Rotorblattmodellierung welche die vorgegebenen Steifigkeiten nachbilden [REF].
+\begin{figure}[H]\centering
+\includegraphics[width=0.95\textwidth]{Lageraufbauten_iso_ou.png}
+\caption{Lageraufbauten im Rotorblatt mit Hilfe von Sandias NuMAD-Programm}
+\label{fig:LageraufbautenAPDL}
+\end{figure} \vspace{-1.5em}
+Zusehen ist, dass das Modell aus vielen kleinen Einzelflächen besteht. 
+
+\subsubsection{Rotorblatt}
 
 \begin{figure}[H]\centering
 \includegraphics[width=0.95\textwidth]{Computermodell_Rotorblatt.png}
@@ -41,19 +84,12 @@ NOTE: Computermodell validiert durch Masterthesis von Svenja Prange.
 \label{fig:SektionenBatch}
 \end{figure} \vspace{-1.5em}
 
-\begin{figure}[H]\centering
-\includegraphics[width=0.95\textwidth]{Lageraufbauten_iso_ou.png}
-\caption{Lageraufbauten im Rotorblatt}
-\label{fig:LageraufbautenBatch}
-\end{figure} \vspace{-1.5em}
- 
-\subsubsection{Rotorblatt}
 Bei der Modellerweiterung für das Rotorblatt werden zuerst zusätzliche Sektionen in das CATIA-Modell geschnitten und anschließend Punkte und Linien in Längsrichtung erzeugt. Die Linien werden in radialer Richtung extrudiert und wiederum mit dem CATIA-Modell geschnitten.
 Die Informationen werden aus der generierten ANSYS-Einlesedatei \texttt{shell7.src} vom XXX rausgeschrieben, in MATLAB als CATIA-Makro aufbereitet und in CATIA eingelesen und ausgeführt.
 
 \paragraph{Sektionen und Punkte}~\\
 Die Informationen zu den Ebenen und der geometrischen Punkte -- beziehungsweise in ANSYS als \emph{Keypoints} bezeichnet -- sind in der Einlesedatei \texttt{shell7.src} von Zeile 8.682 bis 16.406 zu finden. Ein Ausschnitt des Inhalts sind in den folgenden zwei Auszüge dargestellt. Der erste Programmausdruck~\ref{lst:APDL-Punkte-Anfang} stellt den Anfang der \emph{Keypoint}-Erzeugung dar.
-\begin{lstlisting}[language=Fortran,firstnumber=8682, caption={ANSYS APDL shell7.src: Beginn Erstellung von Punkten und Ebenen},label=lst:APDL-Punkte-Anfang]
+\begin{lstlisting}[language=Fortran,firstnumber=8682, caption={APDL shell7.src: Beginn Erstellung von Punkten und Ebenen},label=lst:APDL-Punkte-Anfang]
 ! DEFINE KEYPOINTS FOR SECTIONS AND CONNECT KEYPOINTS WITH LINES
 
 local,1000,CART,0,0,0, -90,0,-90
@@ -65,7 +101,7 @@ csys,0
       k,3,-1.66391,0.303277,0
 \end{lstlisting}
 Der zweite Programmausdruck~\ref{lst:APDL-Punkte-Weitere} zeigt den Wechsel zwischen den Sektionen.
-\begin{lstlisting}[language=Fortran,firstnumber=8882, caption={ANSYS APDL shell7.src: Weitere Erstellung von Punkten und Ebenen},label=lst:APDL-Punkte-Weitere]
+\begin{lstlisting}[language=Fortran,firstnumber=8882, caption={APDL shell7.src: Weitere Erstellung von Punkten und Ebenen},label=lst:APDL-Punkte-Weitere]
       k,195,-1.62342,0.474422,0
       k,196,-1.64096,0.41326,0
    zSmoothe

sections/References.bib

@@ -0,0 +1,57 @@
+@BOOK{bathe86,
+  author = {Bathe, Klaus-Jurgen},
+  title= {Finite-Elemente-Methoden},
+  subtitle= {Matrizen und lineare Algebra, die Methode der finiten Elemente, Lösung von Gleichgewichtsbedingungen und Bewegungsgleichungen},
+  publisher = {Sp"-ringer"=Verlag Berlin},
+  year = {1986},
+  address = {Heidelberg},
+  edition = {1},
+  isbn = {978-3-540-15602-4},
+  gender={sm},
+}
+@BOOK{tm409,
+  author = {Gross, Dietmar and Hauger, Werner and Wriggers, Peter},
+  title = {Technische Mechanik},
+  volume = {4},
+  subtitle = {Hydromechanik, Elemente der Höheren Mechanik, Numerische Methoden},
+  publisher = {Sp"-ringer"=Verlag Berlin},
+  year = {2009},
+  address = {Heidelberg},
+  edition = {7},
+  isbn = {978-3-540-89390-5},
+  gender={pp},
+}
+@book{GroteFeldhusen2007,
+  abstract = {Der DUBBEL ist seit Generationen das Standardwerk der Ingenieure mit dem Anwendungsschwerpunkt Maschinen- und Anlagentechnik. Er wird laufend neu bearbeitet und ist somit stets auf dem aktuellen Stand der Technik. Dieses unverzichtbare Lehr- und Nachschlagewerk f{\"u}r Studium und Ingenieurpraxis stellt das Basis- und Detailwissen der folgenden Gebiete bereit: Mechanik, Festigkeitslehre, Thermodynamik, Werkstofftechnik, Konstruktionstechnik, Mechanische Konstruktionselemente (Maschinenelemente), Fluidische Antriebe, Mechatronische Systeme, Komponenten des thermischen Apparatebaus, Energietechnik, Klimatechnik, Verfahrenstechnik, Maschinendynamik, Kolbenmaschinen, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik, Str{\"o}mungsmaschinen, Fertigungsverfahren und -mittel, F{\"o}rdertechnik und Logistiksysteme, Elektrotechnik, Mess- und Regelungstechnik, Elektronische Datenverarbeitung. F{\"u}r die 22. Auflage wurden u.a. folgende Gebiete v{\"o}llig neu bearbeitet: Faser-Kunststoff-Verbunde, F{\"o}rdertechnik und Logistiksysteme, Integrationstechnologien.},
+  address = {Berlin},
+  edition = {22.},
+  editor = {Grote, Karl-Heinrich and Feldhusen, Jörg},
+  isbn = {978-3-540-49714-1},
+  keywords = {v1205 springer book science embedded engineering lexicon factory process product zzz.cps},
+  publisher = {Springer},
+  title = {DUBBEL -- Taschenbuch für den Maschinenbau},
+  year = {2007}
+}
+
+@TECHREPORT{Prange14,
+  type = {Masterarbeit},
+  title={Entwicklung eines 3D-Geometriemodells und numerische Strömungssimulation einer Windenergieanlage},
+  author={Prange, Svenja},
+  address = {Hamburg},
+  year = {2014}
+}
+@TECHREPORT{MP15,
+  type = {Masterprojekt},
+  title={Entwicklung eines Abschnittes des NREL Rotorblattes mit anisotropen Material anhand gegebener Steifigkeitsdaten},
+  author={Lühe, Konstantin and Springborn, Janina and Frankenbach, Michael},
+  address = {Hamburg},
+  year = {2015}
+}
+@TECHREPORT{NREL09,
+  type = {Forschungsbericht},
+  title={Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development},
+  author={Jonkman, J. and Butterfield, S. and Musial, W. and Scott, G.},
+  publisher = {National Renewable Energy Laboratory},
+  address = {Golden, Colorado},
+  year = {2009}
+}

sections/SymbolsCodes.tex

@@ -26,6 +26,7 @@
 %\acroplural{acronym}[short plural]{long plural}
   \acro{CAD}{Computer Aided Design} % rechnerunterstütztes Konstruieren
   %\acro{CAE}{Computer Aided Engineering} % mit Datenverarbeitungssystemen (DV-Systemen)
+  %\acro{CFD}{Computational Fluid Dynamics}
   %\acro{CIM}{Computer Integrated Manufacturing} % mit Datenverarbeitung und Datenverwaltung
   %\acro{DOF}{degree of freedom}
   \acro{FEM}{Finite Element Methode}
@@ -37,10 +38,17 @@
 \vspace{-2.25em}
 \paragraph{Namen und Bezeichnungen}
 \begin{acronym}
+  \acro{ANSYS}{Analysis System}
+  \acro{APDL}{ANSYS Parametric Design Language}
+  \acro{CATIA}{Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application}
   %\acro{DIN}{Deutsches Institut für Normung}
   \acro{DU}{Delft University}
+  \acro{MATLAB}{Matrix Laboratory}
   \acro{NACA}{National Advisory Committee for Aeronautics}
+  %\acro{NASA}{National Aeronautics and Space Administration}
   \acro{NREL}{National Renewable Energy Laboratory}
+  \acro{NuMAD}{Numerical Manufacturing And Design Tool}
+  \acro{SNL}{Sandia National Laboratories}
   %\acro{VDI}{VDI Verein Deutscher Ingenieure}
   \acro{WindNumSim}{Struktur- und Akustikoptimierung einer Windenergieanlage mit Hilfe numerischer Simulation}
 \end{acronym}

sections/Theorie.tex

@@ -4,6 +4,8 @@
 \section{Theorie}\label{sec:Theorie}
 
 \subsection{Rechnerunterstütztes Konstruieren}
+\ac{CAD}
+
 \subsubsection{Flächendarstellung}
 \subsubsection{Datenaustausch}
 
@@ -17,4 +19,5 @@
 \subsection{Strukturdynamik einer Windenergieanlage}
 
 
-\subsection{Numerische Strukturmechanik}
+\subsection{Numerische Strukturmechanik}
+\ac{FEM}