diff --git a/figures/Computermodell.PNG b/figures/Computermodell.PNG index 08e18e7..2a9d391 100644 Binary files a/figures/Computermodell.PNG and b/figures/Computermodell.PNG differ diff --git a/figures/Computermodell_neu.PNG b/figures/Computermodell_neu.PNG new file mode 100644 index 0000000..593972c Binary files /dev/null and b/figures/Computermodell_neu.PNG differ diff --git a/sections/Einleitung.tex b/sections/Einleitung.tex index 5d1deae..91b5b78 100755 --- a/sections/Einleitung.tex +++ b/sections/Einleitung.tex @@ -2,9 +2,25 @@ \newpage \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. diff --git a/sections/Modellentwicklung.tex b/sections/Modellentwicklung.tex index 04400cf..39ea896 100755 --- a/sections/Modellentwicklung.tex +++ b/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 diff --git a/sections/References.bib b/sections/References.bib index e69de29..7a418b9 100755 --- a/sections/References.bib +++ b/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} +} diff --git a/sections/SymbolsCodes.tex b/sections/SymbolsCodes.tex index dcd30f9..40d4b99 100755 --- a/sections/SymbolsCodes.tex +++ b/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} diff --git a/sections/Theorie.tex b/sections/Theorie.tex index 86b0994..6a56dbe 100755 --- a/sections/Theorie.tex +++ b/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} \ No newline at end of file +\subsection{Numerische Strukturmechanik} +\ac{FEM}