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Einleitung und Modellentwicklung - Forschungsanlage und Computermodell erweitert

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Daniel Weschke
2015-06-02 00:45:04 +02:00
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@@ -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