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HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen...Optimierung von Offshore Windkraftwerk Gründungsstrukturen„ ... Gründungsstrukturen für Offshore-Windkraftanlagen Kooperationspartner:

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RLE INTERNATIONAL

"Entwicklung eines automatisierten

Prozesses zur parametrischen

Optimierung von Offshore

Windkraftwerk Gründungsstrukturen„

von Christoph Schmitz (B. Eng.)

HyperWorks Anwendertreffen

für Hochschulen

1

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Übersicht RLE INTERNATIONAL

Germay

Köln, Rüsselsheim, Sindelfingen,

Wolfsburg

Sweden

Trollhättan, Göteborg

India

Gurgaon, Bangalore, Chennay

United Kingdom

Basildon, Midlands

ENGINEERING CENTER

USA / Michigan

Madison Heights

ENGINEERING OFFICE

Rumania, China

SALES OFFICE

Year Of Creation

1985

Clients

OEMs and Suppliers

Core Competencies

Vehicle Development

Powertrain & Chassis Engineering

Electrical & Electronics

Business Services

1200 (2011)

RLE INTERNATIONAL forms part of the global-leading, OEM-independent, development service providers of the international

automotive industry.

Core Business

Effective, customer-driven and technologic high-class solutions in the area of vehicle- and component development, development of

powertrain concepts, and automobile electronics as well as project- and quality management

Employees

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Geschäftsbereich MOBILITÄT

Fahrzeugentwicklung

Design, Modellabsicherung

Rohbau, Türen und Klappen

Exterieur, Interieur

Technische Berechnung und Fahrzeugsicherheit

Vehicle Integration

Powertrain &

Chassis Engineering

Getriebe

Antriebsstrang

Achssysteme, Räder

Lenkung

Tank

Elektrik &

Elektronik

Modellentwicklung und Simulation

Hard- und Softwareentwicklung

Modul- und Bus-Architektur

Fahrzeugmessungen

Branchenübergrei-

fendes Engineering

Landmaschinentechnik

Luft- und Raumfahrt

Schienentechnik

etc.

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Fachbereich Technische Berechnung & Fahrzeugsicherheit

Technische Berechnung & Fahrzeugsicherheit

MANUFACTURING

ENGINEERING

CONCEPT & DESIGN VEHICLE DEVELOPMENT MANUFACTURING

ENGINEERING

Akustikberechnung, Schwingungs- & Frequenzanalyse

Fahrdynamik & Antrieb

Crashsimulation, Fußgänger-, Insassenschutz, Rückhaltesystementwicklung

Finite Elemente Analyse, Dauerfestigkeits- und Ermüdungsberechnung

Mehrkörpersimulation, Lastfallberechnung (1D/3D)

Strömungssimulation & Thermische Simulation (CFD)

Bionik, Optimierungsmethoden

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"Entwicklung eines automatisierten Prozesses zur

parametrischen Optimierung von Offshore

Windkraftwerk Gründungsstrukturen"

Christoph Schmitz

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Inhaltsangabe

Allgemeine Projektinformationen

Allgemeine Informationen zur Optimierung

Vergleich der Wellenlasten zweier

Konstruktionsvarianten – Wave Load

Prozessübersicht – Parametrische Optimierung

(geplant)

Probleme / Herausforderungen bei der Erstellung

dieses Optimierungsprozesses, sowie deren Lösungen

Prozessübersicht – Parametrische Optimierung

(umgesetzt)

Optimierungsergebnis

Auflistung Vor- und Nachteile

Christoph Schmitz 6

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Allgemeine Projektinformationen

Förderprojekt zur Entwicklung einer energie- und materialsparenden Konstruktion von

Gründungsstrukturen für Offshore-Windkraftanlagen

Kooperationspartner:

Tripod: Quelle: AWI

Christoph Schmitz 7

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Allgemeine Informationen zur Optimierung

Strukturoptimierung:

Ziel:

Gewichtsminimierung

Restriktionen:

max. Displacement am Turmfußflansch: 100mm

max. Spannung: 160 N/mm²

min. Eigenfrequenz: 0,35 Hz

Statische Festigkeitsberechnung, Modalananyse

Lasten:

verschiedene Windlastfälle (konstant)

Wellenlasten (variabel)

Ausgangsstruktur:

Christoph Schmitz 8

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Allgemeine Informationen zur Optimierung

18 Designvariablen ermöglichen Strukturvariationen,

Änderungen der Radien einzelner Rohre und

Änderungen der Materialdicken.

Christoph Schmitz 9

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Vergleich der Wellenlasten zweier Konstruktionsvarianten – Wave Load

Christoph Schmitz 10

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Vergleich der Wellenlasten zweier Konstruktionsvarianten – Wave Load

Vergleich der resultierende Momente in Wellenrichtung

-250000

-200000

-150000

-100000

-50000

0

50000

100000

150000

200000

250000

0

0.8

1.6

2.4

3.2 4

4.8

5.6

6.4

7.2 8

8.8

9.6

10

.4

11

.2 12

12

.8

13

.6

14

.4

15

.2 16

16

.8

17

.6

18

.4

19

.2 20

20

.8

21

.6

22

.4

23

.2 24

Zeit in s

Mo

men

t in

kN

m

Variante 1

Variante 2

Durch Einbindung einer Berechnung der auf die aktuelle Struktur wirkenden Wellenlasten kann die

Struktur somit optimal an die Umgebung angepasst werden.

Christoph Schmitz 11

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Prozessübersicht – Parametrische Optimierung (geplant)

Prozesssteuerung

Parameter-satz (Excel)

parametrisches

CAD-Modell

(CATIA)

Optimierer

(HyperStudy)

IGES-File

Altair BatchMesher FE-Netz

Radioss Wellenkräfte

Wave Loads

Programm txt-File

Radioss

Simulationssetup

Simulations-ergebnisse

Excel Arbeitsmappe

Strukturdatei für

Wave Loads

Gesamtmodell

Christoph Schmitz 12

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Probleme / Herausforderungen bei der Erstellung dieses Optimierungsprozesses, sowie deren

Lösungen

Keine automatisierte Propertyzuweisung im BatchMesher möglich.

Propertyzuweisung wird mithilfe eines zusätzlichen Aufrufes von HyperMesh im Batch-Mode durchgeführt.

Die Propertykarten müssen in jeder Iteration aufgrund der möglichen Materialdickenvariation neu erstellt

werden.

Excel Makro zur Erstellung eines entsprechenden Include-files mit den aktuellen Parametern.

Die Aufbringung der Randbedingungen (z. B. Einspannung am Meeresboden usw.) wird durch die in jeder

Iteration stattfindende Neuerstellung des Modells erschwert.

Excel Makro zur Erstellung eines Include-files mit SPC- und RBE-Karten. Hierzu müssen die benötigten

Knoten mithilfe einer Koordinatensuche aus der ASCII-Datei herausgelesen werden.

Diese und weitere aufgetretene Probleme führten in der Umsetzung zu einem deutlich komplexeren Prozess!

Christoph Schmitz 13

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Prozessübersicht – Parametrische Optimierung (umgesetzt)

Prozesssteuerung

Parameter-satz (Excel)

parametrisches

CAD-Modell

(CATIA)

Optimierer

(HyperStudy)

IGES-File

Altair BatchMesher

FE-Netz HyperMesh

Radioss

Radioss

Simulationssetup

Excel Makro

Property Karte erstellen

RBE Karte

Excel Makro

für SPCs Nastran Inputfile

Wellen-kräfte

Wave Loads

Programm txt-File

Excel Arbeitsmappe

Strukturdatei für

Wave Loads

HM-file Excel Makro

für Tcl-Skript

Property

update

Simulations-ergebnisse

Property Karte

Tcl-Skript Property update

HyperMesh

Batchaufruf

Excel Makro

für RBEs

SPC Karte

Gesamtmodell

Excel Makro

für

Wellenlasten

Load Karte

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Optimierungsergebnis

760 t der Gesamtmasse entfallen hierbei auf

Mast, Generator und Rotor.

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Optimierungsergebnis

28 % Gewichtsersparnis

Geometrievariationen:

Verringerung der Rohrdurchmesser

Verringerung des Gesamtdurchmessers

Variation der Ansätze der Querstreben

am Zentralschaft sowie an den

Fußelementen

Verringerung der Materialdicken

Gesamtdurchmesser Gesamtdurchmesser

Ausgangsstruktur: optimierte Struktur:

Christoph Schmitz 16

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Vor- und Nachteile / Probleme dieses Optimierungsprozesses

Vorteile:

Durch Nutzung eines CAD-Modells werden umfangreiche Strukturvariationen ermöglicht.

Weitere Programme lassen sich in den Optimierungsprozess einbinden.

Unterschiedliche Optimierungsstrategien stehen zur Auswahl.

Ein solcher Prozess bietet ein hohes Optimierungspotential bei der Umsetzung umfangreicher

Strukturoptimierungen.

Nachteile / Probleme:

Sehr aufwendig und zeitintensiv in der Bearbeitung.

Viele Übergabeskripte und Makros müssen von Hand erstellt und auf jede Struktur neu angepasst werden.

Keine Formeln / Abhängigkeiten im Optimierer für die oberen und unteren Grenzen der Designvariablen

hinterlegbar.

Christoph Schmitz 17

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RLE INTERNATIONAL

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontaktdaten:

Holger Happel

Lead Engineer CAE & Vehicle Safety

Phone: 0221 8886 454, Mobil: 0172 3180 325

E-Mail: [email protected]

RLE INTERNATIONAL GmbH

Robert-Bosch Str. 10

50769 Köln

www.rle.de

Christoph Schmitz

CAE-Analyst

Tel: 0221 8886 569

E-Mail: [email protected]

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