Mehrkörpersimulation für mehr Effizienz 1

Virtual Prototyping optimiert Antriebsstrang von Windkraftanlagen
Drei Entwicklungspartner haben ein Projektziel verfolgt: Das Systemverständnis über den gesamten Antriebsstrang einer Windkraftanlage sollte verbessert werden. Entstanden ist ein komplexes Mehrkörpersimulationsmodell, das Berechnungen in bisher nicht erreichbarer Genauigkeit möglich macht.

Wälzlagerungen in Windkraftanlagen sind unterschiedlich hohen und stark wechselnden Belastungen ausgesetzt sowie abhängig von den Einbaustellen auch einer großen Bandbreite an niedrigen und hohen Drehzahlen. Sie bilden das Herzstück des Triebstrangs und damit der gesamten Anlage. Entsprechend wird heute bei der Weiterentwicklung der Lager das gesamte System Windkraftanlage mit seinen Abhängigkeiten und Wechselwirkungen der einzelnen Triebstrangkomponenten einbezogen. Komplexe Simulationsprogramme erlauben es, alle Bauteile vorher virtuell zu testen und so für alle Lastzustände die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlegen weiter zu verbessern.

Im Rahmen eines unternehmensübergreifenden Entwicklungsprojektes hat die Schaeffler Gruppe Industrie gemeinsam mit dem Windkraftanlagen-Hersteller Repower Systems und dem Getriebe-Hersteller Eickhoff Antriebstechnik eine Systemsimulation zur Berechnung dynamischer Betriebslasten für den Antriebsstrang von Windkraftanlagen entwickelt. Das komplexe Mehrkörpersimulationsmodell ist unter Einbeziehung von FEM-Berechnungen in der Lage, die Einzelkomponenten des Antriebsstranges, deren Interaktion sowie das gesamte Anlagendesign bereits in der Entwicklungsphase zu optimieren. Windkraftanlagen können so für alle Lastzustände wesentlich zuverlässiger und kostengünstiger ausgelegt und betrieben werden.

Systemverständnis verbessern
Lastsimulationen sind ein unverzichtbarer Bestandteil zur Auslegung von Windenergieanlagen. Trotz neuer Anlagentypen, zum Beispiel durch alternative Hauptlager- oder Getriebekonzepte, und wachsender Anforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit, dienen zur Lastsimulation bisher zumeist stark vereinfachende Modelle. Diese geben als Grundlage der Auslegung Lastzeitreihen nur für bestimmte Schnittgrößen, nicht jedoch für alle Komponenten vor. Komplexe Einheiten werden so nur als „black box“ behandelt, wie etwa das Getriebe mit seinen zahlreichen dynamischen Komponenten und deren Rückwirkungen auf die anderen Teile des Antriebsstranges. Die Modellbildung wird den Anforderungen für Getriebe und damit einer zuverlässigen Auslegung nur unzureichend gerecht.

 

Um zu einem umfassenden Systemverständnis über die dynamischen Lasten der mechanischen Komponenten im Antriebsstrang zu kommen, haben die Projektpartner ihr jeweiliges Produkt- und Berechnungs-Know-how in die Entwicklung eines komplexen Mehrkörpersimulationsmodells (MKS-Modell) eingebracht. Zentrales Programm ist die von der Schaeffler-Gruppe entwickelte Wälzlager-Berechnungssoftware Bearinx, die es ermöglicht, in kurzer Zeit dynamische Simulationsmodelle für komplette Getriebe zu generieren und die Ergebnisse auch zu visualisieren. Da Bearinx das Verhalten von Wellen, Verzahnung und Lager bis hin zum einzelnen Wälzkontakt abbildet, wird die Simulation des Antriebsstranges besonders genau und zuverlässig.

In Verbindung mit elastischen Simulationen und FEM-Berechnungen für Umgebungsbauteile und Gehäuse wird der höchste Grad der Modellierungsstufe erreicht. Im Gegensatz zu konventionellen Simulationsprogrammen beinhalten die Hybrid-FEM-MKS-Modelle detaillierte Sub-Modelle zu Steifigkeits-Matrizen und Massen für alle elastischen Strukturkomponenten wie Rahmen, Gehäuse, Planetenträger, Zahnräder und Lager. Das Wälzlager-Berechnungsprogramm Bearinx erstellt dabei zunächst das Getriebemodell und bildet damit die Geometrie, die Anordnung der Getriebeelemente sowie die verwendeten Lager ab.

Auslegung der Anlage wird zuverlässiger
Eine neuentwickelte Softwarefamilie baut auf diesem Bearinx-Modell auf und nutzt es für die Mehrkörpersimulation. Das Preprocessing-Programm DynPre erzeugt aus den Getriebedaten von Bearinx sowie aus weiteren Daten zu Geometrie und Werkstoffeigenschaften anderer Anlagenelemente (Turm, Rotorblätter, Generator, etc.) das Simulationsmodell. Dieser Prozess ist automatisiert und erfolgt daher fehlerfrei, genau und im Vergleich zu anderen Methoden besonders schnell. Zur eigentlichen Mehrkörpersimulation wird das Programm Samcef-Mecano eingesetzt. Die Aufbereitung der Daten zur Auswertung erfolgt anschließend über das Programm DynDP. Die Daten werden in Diagrammen, Filmen und 3D-Wasserfalldigrammen visualisiert.

Das Programm bietet die Möglichkeit zur Untersuchung klassierter Lasten als Voraussetzung für die Lebensdauerberechnung unter Berücksichtigung der Dynamik und Interaktion der Komponenten. Die Auswertung der Belastungen ist über die gesamte Betriebsdauer hinweg zu jedem beliebigen Zeitpunkt möglich. Auch extreme Lastzustände können so detailliert simuliert und beurteilt werden. Das gilt für ihre Auswirkungen auf das Gesamtsystem, auf die einzelnen Subsysteme bis hin zum isolierten Wälzkontakt – stets unter Berücksichtigung aller dynamischen Zustände und Effekte.

Das so entwickelte Mehrkörpersimulationsmodell ermöglicht die integrierte Berechnung von Ermüdungslasten oder extremen Lastzuständen – wie etwa bei Notstopp oder Kurzschluss – in bisher nicht erreichbarer Genauigkeit. Die Auslegung der Anlage wird somit wesentlich zuverlässiger. Die Möglichkeit, Designalternativen bereits frühzeitig zu untersuchen und zu beurteilen, gibt Sicherheit im Entwicklungsprozess. Entwicklungskosten werden so erheblich reduziert, da Design-änderungen in einem frühen Stadium vorgenommen werden können.