Rotorblatt - HSB Startseite · Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Strukturmechanik und Simulation Fachbereich Maschinenbau Seite 2 Als Pre‐Prozessor wird MSC.Patran® 2005 genutzt

Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Strukturmechanik und Simulation Fachbereich Maschinenbau

Projekt

Rotorblatt

Nina‐Alexadra Indorf

Frank Sellmann

SS 2008


Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung .............................................................................................................................................. 1

2 Aufgabenstellung .................................................................................................................................. 3

3 Bauteilbeschreibung ............................................................................................................................. 4

4 Material ................................................................................................................................................ 5

5 Beanspruchungsanalyse ....................................................................................................................... 6

5.1 Allgemeine Berechnungsformeln .................................................................................................. 6

5.2 Festlegung der Lastfälle ................................................................................................................. 8

5.3 Lasten für L1 Parkstellung ........................................................................................................... 11

5.4 Lasten für L2 Produktionsbetrieb ................................................................................................ 14

6 Berechnungen .................................................................................................................................... 20

6.1 Pre‐Processing in MSC Patran®2005 ........................................................................................... 20

6.1.1 Vorbereitungen .................................................................................................................... 20

6.1.2 Importieren der CAD‐Daten ................................................................................................. 22

6.1.3 Vernetzung ........................................................................................................................... 24

6.2 Materialerstellung ....................................................................................................................... 28

6.2.1 Erstellung der Grundwerkstoffe ........................................................................................... 28

6.2.2 Erstellung des Laminats ........................................................................................................ 30

6.2.3 Zuordnung der Materialien .................................................................................................. 33

6.3 Lagerung ...................................................................................................................................... 37

6.4 Berechnung Parkstellung (L1) ...................................................................................................... 38

6.4.1 Zuordnung der Kräfte L1 ...................................................................................................... 38

6.4.2 Berechnung L1 ...................................................................................................................... 39

6.4.3 Ergebnis L1 ........................................................................................................................... 40

6.4.4 Auswertung der Ergebnisse Lastfall L1 ................................................................................. 43

6.5 Berechnung Produktionsbetrieb (L2) .......................................................................................... 44

6.5.1 Zuordnung der Kräfte L2 ...................................................................................................... 44

6.5.2 Berechnung L2 ...................................................................................................................... 47

6.5.3 Ergebnis L2 ........................................................................................................................... 47

6.5.4 Auswertung der Ergebnisse Lastfall L2 ................................................................................. 49

7 Fazit……………………………………………………………………………………………………………………………………………….50

8 Verzeichnisse ...................................................................................................................................... 51

8.1 Literaturverzeichnis ..................................................................................................................... 51

8.2 Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................. 51

8.3 Tabellenverzeichnis ..................................................................................................................... 52


Seite 1

1 Einleitung Dieses Projekt beschäftigt sich mit der FEM Berechnung eines Rotorblattes einer Windkraft‐

anlage. Zunächst wird beschrieben, wann eine FEM Berechnung zum Einsatz kommt, wie sie

funktioniert und was für eine FEM Berechnung notwendig ist.

Da es mit der technischen Mechanik nicht möglich ist, komplexe Zusammenhänge und

komplizierte Geometrien in realen Systemen ganzheitlich zu erfassen und mit Hilfe von Dif‐

ferentialgleichungen zu lösen, wird oftmals ein stark vereinfachtes Modell des Problems ge‐

schaffen. Da diese Ergebnisse allerdings oftmals mit großen Abweichungen von der Realität

behaftet sind, ist es notwendig, die Bauteile so realitätsnah wie nötig für die Betrachtung

aufzubereiten. Dieses geschieht bei der FEM indem das zu berechnende Bauteil in eine be‐

liebig große Anzahl von Elementen geteilt wird, welche analytisch lösbar sind. Die Anzahl der

Elemente ist finit (endlich). Das Bauteil wird durch die Geometrie der Elemente, welche

durch Knoten an End‐ und Eckpunkten miteinander verbunden sind definiert. Für diese ein‐

fachen Elemente können theoretische Beziehungen z.B. zwischen den Kräften und Verfor‐

mungen an den Randknoten formuliert werden. Des Weiteren können für die Elemente Ma‐

terialeigenschaften zugeordnet werden. Aus den Verknüpfungen der Elemente ergibt sich

ein endliches Gleichungssystem für das Modell. Nach der Lösung des Gleichungssystems, mit

Hilfe eines Rechners, erhält man für jeden Knoten die Verschiebungen und Verdrehungen

und kann daraus die Knotenkräfte, Elementverformungen, innere Kräfte und Spannungen im

jeweiligen Element bestimmen. Das Gesamtverhalten des Bauteils wird durch die Gesam‐

theit der Elemente ausgedrückt. Es handelt sich also um ein Näherungsverfahren mit Abwei‐

chungen von der exakten Lösung. Dafür können jedoch komplexe Probleme berechnet wer‐

den, die durch die traditionelle Mechanik nicht mehr gelöst werden können. Daher kommt

die FEM oftmals zum Einsatz wenn folgende Aufgaben vorliegen:

• Komplizierte Geometrie

• Überlagerte Lastfälle

• Unübersichtliche Randbedingungen

• Verschiedenartige Werkstoffgesetze

Um eine FEM Berechnung durchführen zu können, sind drei Bausteine notwendig: Pre‐

Prozessor, FEM‐Universalprogramm, Post‐Prozessor.

Zunächst wird ein CAD Modell erstellt. Dieses kann mit Hilfe des Pre‐Prozessors oder eines

CAD‐Systems geschehen.

In diesem Projekt wird das 3‐D Modell mit Hilfe eines CAD‐Systems erstellt. Das in Solid Edge

V19 erstellte Modell wird über eine entsprechende Schnittstelle (IGES Format) in den Pre‐

Prozessor geladen.


Seite 2

Als Pre‐Prozessor wird MSC.Patran® 2005 genutzt. Dieser hat die Aufgabe ein sinnvolles Netz

zu erzeugen, die Element‐ und Materialdaten zuzuweisen sowie die Kräfte und Randbedin‐

gungen einzubringen. Des Weiteren können mit Hilfe des Pre‐Prozessors auch bereits vor‐

handene Modelle bearbeitet werden.

Ist das System bestimmt, kann dieses mit Hilfe eines numerischen Gleichungslösers bearbei‐

tet werden. Dieses wird mit Hilfe eines FEM‐Universalprogramms, in diesem Fall

MSC.Nastran® 2005, durchgeführt.

Abschließend wird für die Ergebnisausgabe ein Post‐Prozessor benötigt. Diese Aufgabe

übernimmt MSC.Patran® 2005. Der Post‐Prozessor stellt die verformte Struktur sowie die

Dehnungen und Spannungen in der Struktur graphisch dar. Hierzu werden Farbbilder ge‐

nutzt, die einen Überblick über die herrschenden Verhältnisse geben.

In Abbildung 1 sind die Schritte zur FEM Berechnung nochmals dargestellt.

CAD-System (Solid Edge V19)

Pre-Prozessor (MSC.Patran)

Post-Prozessor (MSC.Patran)

FEM-Universalprogramm (MSC.Nastran)

Schnittstelle (IGES)

Abbildung 1 Schritte zur FEM Berechnung

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Seite 4

3 Bauteilbeschreibung Der Durchmesser des Rotors wird auf 8 m festgelegt. Bei diesem Durchmesser kann ein ein‐

facher Rotorblattaufbau ohne inneren Holm realisiert werden. Die beiden Rotorblatthalb‐

schalen nehmen die auftretenden Kräfte auf.

Die Rotorblattanzahl wird auf 3 festgelegt, da bei 3 Rotorblättern geringere dynamische Un‐

wuchten als bei 1 oder 2 Blattrotoren zu erwarten sind. Als Masthöhe bzw. Nabenhöhe wer‐

den 18 m festgelegt. Diese Höhe stellt einen sinnvollen Kompromiss zwischen Mastkosten

und Ertrag der Anlage dar.

Die Geometrie des Rotorblatts wird durch 6 unterschiedliche Profile beschrieben. Diese Pro‐

file wurden aus der NACA 44er Reihe ausgewählt, da sie auf Änderungen der Anströmver‐

hältnisse nicht so empfindlich reagieren wie Hochleistungsprofile.

Am Rotorblattfuß kommt das relativ dicke Profil NACA 4424 zum Einsatz. Dieses ist notwen‐

dig um die hohen Biegemomente aufzunehmen. Der hohe Strömungswiderstandsbeiwert

spielt hierbei eine untergeordnete Rolle, da am Rotorblattfuß nur kleine resultierende Wind‐

geschwindigkeiten herrschen. Zur Blattspitze hin kommen die dünneren und strömungs‐

technisch günstigeren NACA 4421/4418/4415 Profile zum Einsatz.

Der Profilwinkel wurde so gewählt, dass ein großer Auftriebsbeiwert und ein kleiner Wi‐

derstandsbeiwert wirken. Somit ergaben sich folgende Geometriedaten für die Konstruktion

(Abbildung 3) des Rotorblattes (Tabelle 1).

Profil Abstand von Nabe Verschiebung Profiltiefe Profilwinkel Kreis 0 0 0,25 0 Kreis 0,10 0 0,25 0

NACA 4424 0,75 0 0,57 -17 NACA 4424 1,38 0 0,40 -7 NACA 4421 2,00 0 0,30 -3 NACA 4418 3,00 0 0,22 -1 NACA 4415 3,80 0 0,19 0

Winglet (4415) 4,00 0,070 0,18 0 Tabelle 1 Geometriedaten des Rotorblattes

Abbildung 3 Konstruiertes Rotorblatt aus Solid Edge

Prof. DrStrukturmFachber

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Seite 6

5 Beanspruchungsanalyse Bei der Beanspruchungsanalyse werden die einzelnen Lastfälle festgelegt und anschließend

werden die Kräfte der einzelnen Lastfälle berechnet. Zuvor werden allerdings die Anström‐

verhältnisse als auch die Geometrie des Rotors erläutert.

5.1 Allgemeine Berechnungsformeln Im Folgenden werden die Anströmverhältnisse berechnet. Die Grundlagen dieser Berech‐

nung werden aus [2], [3] und [4] entnommen. Im Anschluss werden die Profiltiefen und Pro‐

filbreiten berechnet.

Abbildung 5 Windgeschwindigkeiten, Winkel und Kräfte am Rotorblatt

In der Abbildung 5 sind die Windgeschwindigkeiten und Kräfte am Rotorblatt dargestellt. Die

Umfangsgeschwindigkeit vu ergibt sich aus der Drehzahl der Rotors nr und dem Abstand r

von der Achse der Nabe.

• Umfangsgeschwindigkeit

2 · · ·

Die Schnelllaufzahl wird mit dem Quotienten aus der Umfangsgeschwindigkeit vu und der

Windgeschwindigkeit vw berechnet.

• Schnelllaufzahl

λ =

Der Winkel αre der resultierenden Windgeschwindigkeit ergibt sich aus

• Winkel der resultierenden Windgeschwindigkeit

23 · arctan

1

Die resultierende Windgeschwindigkeit vre wird aus der Windgeschwindigkeit vw, der Um‐

fangsgeschwindigkeit vu und dem Winkel αre berechnet.


Seite 7

• Resultierende Windgeschwindigkeit

· cos13 ·

Berechnung der Profiltiefe und Profilbreite des Rotorblattes

• Profiltiefe

Die Profiltiefe wird aus der Tabelle „Geometriedaten des Rotorblattes“ (Tabelle 1)

entnommen

• Profilbreite

Die Profilbreite berechnet sich aus den Abständen der einzelnen Profilen zur Nabe

für 1 ≤ x ≤ 6

Beispiel für Profilabschnitt 1

Die Beiwerte für den Widerstand als auch für den Auftrieb werden aus einer Kennlinie abge‐

lesen (Abbildung 6).

Abbildung 6 Widerstands‐, Auftriebsbeiwerte


Seite 8

Zur Berechnung der angreifenden Kräfte wird das Rotorblatt in 6 Profilabschnitte unterteilt

(Abbildung 7). Bei der Berechnung werden die Kräfte an den einzelnen Profilabschnitten

durch Indizes zugeordnet.

Abbildung 7 Einteilung in Profilabschnitte

Bei der Berechnung der Kräfte werden immer die maximalen Radien vom Abstand der Nabe

zum Profilabschnitt verwendet. Dieses wird so gewählt, da der Kräfteverlauf nicht bekannt

ist und somit von der stärksten Belastung ausgegangen wird.

5.2 Festlegung der Lastfälle Die Auslegung der Windenergieanlage erfolgt nach der Normalsicherheit, diese ist in der DIN

IEC 88/82/CDV festgelegt. Dies bedeutet, dass ein Ausfall der Anlage oder von Teilen der

Anlage zu einer Gefährdung von Personen führt oder wirtschaftliche und soziale Folgen hat.

Hier werden folgende Lastfälle berücksichtig:

• Produktionsbetrieb

• Produktionsbetrieb und Auftreten eines Fehlers

• Start der Anlage

• Normale Abschaltung

• Notabschaltung

• Parken (Stillstand oder Leerlauf)

• Extreme Windgeschwindigkeit

• Extreme Windböe im Betrieb

Für Windenergieanlagen ist dieser Berechnungsaufwand sehr groß, deshalb werden für

Windenergieanlagen mit einer überstrichenden Rotorfläche von bis zu 40 m2 vereinfachte

Sicherheitsanforderungen festgelegt. In diesem Projekt wird die Auslegung nach den verein‐

fachten Sicherheitsanforderungen durchgeführt. Bei den auftretenden Windgeschwindigkei‐

ten wird dabei zwischen Nennwindgeschwindigkeit vwne und extremer Windgeschwindigkeit

vwex unterschieden. Die Nennwindgeschwindigkeit ist für jede Windenergieanlage unter‐

schiedlich. Es handelt sich hierbei um die Geschwindigkeit, mit der eine Anlage im Nennleis‐

6 1 2 3 4 5


Seite 9

tungsbetrieb arbeitet. Für die vorliegende Anlage entspricht dies einer Geschwindigkeit von

vwne = 11 m/s und die extreme Windgeschwindigkeit ist mit vwex = 35 m/s festgelegt.

Lastfälle für kleine Windenergieanlagen

Lastfall Beschreibung Auslegung

nach

Sicherheits

faktor S

A Produktionsbetrieb

A1 = L2 Um Nennwindgeschwindigkeit

zyklisch schwankend

Dauerfestigkeit 1,25

A2 Maximal mögliche Gierbe‐

schleunigung bei Nennwind‐

geschwindigkeit

Bruchfestigkeit 3

A3 Unterbrechung der elektri‐

schen Verbindung bei extre‐

mer Windgeschwindigkeit

Bruchfestigkeit 3

B Abschaltung

B1 Normale Abschaltung bei

Nennwindgeschwindigkeit

Bruchfestigkeit 3

C Parkstellung (Rotor im Stillstand)

C1 = L1 Geringste Angriffsfläche bei

1,4 fachen der extremen

Windgeschwindigkeit vwex

Bruchfestigkeit 3

C2 Größte Angriffsfläche bei ex‐

tremer Windgeschwindigkeit

Bruchfestigkeit 3

Tabelle 2 Lastfälle für WKA mit Sicherheitsfaktor

Die Auslegung für den Lastfall A1 erfolgt nach der Dauerfestigkeit, da die dort auftretenden

Belastungen dynamisch sind und sehr häufig auftreten. Alle anderen Lastfälle werden nach

der Bruchfestigkeit dimensioniert, da diese sehr selten auftreten. Für den Lastfall C1 ent‐

spricht die angenommene Windgeschwindigkeit, der Windgeschwindigkeit einer Böe, die

einmal in 50 Jahren auftritt.

In diesem Projekt werden die Lastfälle A1 und C1 betrachtet, da diese Lastfälle die kritisch‐

sten sind. Da bei dieser Ausarbeitung die angenommene Windenergieanlage keine Einrich‐

tung für die Fahnenstellung der Rotorblätter, aus dem Wind drehen, bei extremen Windge‐

schwindigkeiten hat, ist die Angriffsfläche der Lastfälle C1 und C2 gleich groß. Sie entspricht


Seite 10

der Angriffsfläche, welche die Anlage bei Betrieb im Nennlastbetrieb hat. Daher schließt der

Lastfall C1 den Lastfall C2 mit ein.

Im Weiteren werden die Lastfälle A1 = L2 und C1 = L1 benannt.

Für die Lastfälle gelten nach Art der Belastung Teilsicherheitsbeiwerte, diese sind in DIN ENV

61400‐1 festgelegt (Tabelle 3).

Teilsicherheitsbeiwerte

Lastart Beschreibung Teilsicherheitsbeiwert

Aerodynamisch Auftriebs‐ und Widerstands‐

kraft

STa = 1,3

Schwerkraft Rotorblattgewicht STs = 1,1

Trägheitskraft Radialkraft durch Rotordre‐

hung

STt = 1,2

Tabelle 3 Teilsicherheitsbeiwerte


Seite 11

5.3 Lasten für L1 Parkstellung Folgende Annahmen werden für die Parkstellung getroffen

• Rotordrehzahl: 0

• Extreme Windgeschwindigkeit: 35 /

• Windgeschwindigkeit: 1,4 ·

• Winkel von vre: 90° • Dichte von Luft : 1,204 /

Berechnung der einzelnen Komponenten:

• Umfangsgeschwindigkeit

2 · · ·

0

• Schnelllaufzeit

μ = 0

• Resultierende Windgeschwindigkeit

· cos13 ·

43,30

• Berechnung der statischen Kräfte

o Auftriebskraft

2 · · · ·

0

o Schubkraft

· cos · sin

o Widerstandskraft

2 · · · ·

o Gewichtskraft

·


Seite 12

• Berechnung der Widerstandskraft für die einzelnen Profilabschnitte

o Profilabschnitt 1

2 · · · ·

585,44

o Profilabschnitt 2

· · · ·

398,27

o Profilabschnitt 3

· · · ·

293,90

o Profilabschnitt 4

· · · ·

347,63

o Profilabschnitt 5

· · · ·

240,18

o Profilabschnitt 6

· · · ·

56,88

• Berechnung der Gewichtskraft

o Die Berechnung der Gewichtskraft erfolgt über die Funktion Inertial Load in

MSC.Patran® (vgl. 6.4.1)

Die Belastungen bestehen somit lediglich aus den statischen Kräften

• Gewichtskraft Fg

• Schubkraft Fs = Widerstandskraft Fwi


Seite 13

Die Gewichtskraft Fg wirkt in Richtung des Erdmittelpunktes. Die an den Profilabschnitten

angreifende Kraft ist die Schubkraft Fs, sie wirkt in die gleiche Richtung der z‐Achse und führt

somit zu einer Verformung des Blattes in Richtung Turm. Die größten Spannungen entstehen

am rechten Rotorblatt, da dort die Gewichtskraft Fg den größten Hebelarm gegenüber der z‐

Achse hat und damit das größte Biegemoment erzeugt.

Abbildung 8 Angreifende Kräfte Parkstellung

Somit ergeben sich folgende Belastungen für die Parkstellung

Belastung Belastungsaufbringung Eingabewert Teilsicherheitsbeiwert

Gewichtskraft

Fg

Inertial Load

(+y‐Richtung)

1,1

Schubkraft Fs Pressure

(Top Surf Pressure)

/ 1,3

Tabelle 4 Belastungen Parkstellung


Seite 14

5.4 Lasten für L2 Produktionsbetrieb Folgende Annahmen werden für den Lastfall Produktionsbetrieb getroffen

• Rotordrehzahl: 2,75

• Windgeschwindigkeit: 11 /

• Winkel von vre:

• Dichte von Luft: 1,204 /

Während des Produktionsbetriebs wirken folgende Kräfte auf die Rotorblätter:

• Gewichtskraft

• Radialkraft

• Schubkraft

• Umfangskraft

Diese Kräfte sind in Abbildung 9 angetragen.

Abbildung 9 Belastungen Lastfall L2

Berechnung der einzelnen Kräfte:

• Gewichtskraft

·

• Radialkraft

· · · 2 · · ·

• Schubkraft

· ·


Seite 15

• Umfangskraft

· ·

Im Folgenden werden die Kräfte, die an den einzelnen Profilabschnitten wirken, berechnet.

• Gewichtskraft

o Die Berechnung der Gewichtskraft erfolgt über die Funktion Inertial Load in

MSC.Patran ® (vgl. 6.5.1)

• Radialkraft

o Die Berechnung der Radialkraft erfolgt über die Funktion Inertial Load in

MSC.Patran ® (vgl. 6.5.1)

• Schubkraft

· ·

Zur Berechnung der Schubkraft werden zunächst die Auftriebskräfte , die Wider‐

standskräfte und der Winkel der resultierenden Windgeschwindigkeit be‐

rechnet.

Resultierender Winkel der Windgeschwindigkeit

23 ·

1

Schnelllaufzahl

Umfangsgeschwindigkeit

2 · · ·

2 · · · 12,96

2 · · · 23,84

2 · · · 34,56

2 · · · 51,84

2 · · · 65,66

2 · · · 69,11


Seite 16

Schnelllaufzahl

1,18

2,17

3,14

4,71

5,97

6,28

Resultierender Winkel der Windgeschwindigkeit

23 ·

1

23 ·

126,85°

23 ·

116,49°

23 ·

111,78°

23 ·

17,99°

23 ·

16,34°

23 ·

16,03°

Berechnung der Widerstandskräfte

2 · · · ·

1,2

· cos 13 ·

· cos 13 · 16,95

· cos 13 · 26,13


Seite 17

· cos 13 · 36,18

· cos 13 · 52,94

· cos 13 · 16,95

· cos 13 · 16,95

Nach Rotorblattgeometriedaten (Tabelle 1)


Nach Abbildung 6

2 · · · · 57,67

2 · · · · 31,07

2 · · · · 14,69

2 · · · · 1,86

2 · · · · 0,04

2 · · · · 0,01

Berechnung der Auftriebskräfte

2 · · · ·

1,204

(siehe Widerstands‐

kräfte)




Seite 18

Nach Abbildung 6

2 · · · · 80,10

2 · · · · 160,54

2 · · · · 197,87

2 · · · · 463,98

2 · · · · 364,51

2 · · · · 79,5

• Schubkraft

o · · 97,51

o · · 162,76

o · · 196,70

o · · 459,73

o · · 362,29

o · · 79,06

• Umfangskraft

· sin · cos

Die Werte für die Auftriebskräfte , die Widerstandskräfte , sowie der resultie‐

renden Winkel werden aus den Nebenrechnungen zur Bestimmung der Schub‐

kräfte entnommen.

o · sin · cos 15,3

o · sin · cos 15,78

o · sin · cos 26,02

o · sin · cos 62,65

o · sin · cos 40,21

o · sin · cos 8,34


Seite 19

Nach der DIN EN 61400‐2 für die Sicherheit von kleinen Windkraftanlagen werden die Belas‐

tungskräfte mit entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten multipliziert. Für den Lastfall L2

gelten die in Tabelle 5 aufgeführten Werte.

Belastung Belastungsaufbringung Eingabewert Teilsicherheitsbeiwert

Gewichtskraft

Inertial Load

(+y Richtung)

1,1

Radialkraft Inertial Load

(+z‐Richtung)

1,2 ä

Schubkraft Pressure

(Top Surf Pressure)

/

1,3

Umfangskraft

Total Load

(‐y‐Richtung)

1,3

Tabelle 5 Belastungen Produktionsbetrieb


Seite 20

6 Berechnungen

6.1 PreProcessing in MSC Patran®2005

6.1.1 Vorbereitungen Nach dem Start des FEM Programms MSC Patran®2005 öffnet sich das Startfenster

(Abbildung 10). Im oberen Teil sind die unterschiedlichen Funktionsbuttons sichtbar, welche

derzeit deaktiviert sind, da noch keine Datei geöffnet bzw. angelegt worden ist. Im unteren

Bereich des Startfensters sind die Command‐History und das Eingabefenster sichtbar. Im

Eingabefenster können beispielsweise Surfaces oder Solids ausgewählt werden. In der Com‐

mand‐Histrory können die ausgeführten Befehle und Fehlermeldungen nachvollzogen wer‐

den.

Abbildung 10 Startfenster MSC Patran® 2005

Nach dem Programmstart wird eine Database Datei zur Bauteilbearbeitung erstellt. Diese

Datei wird unter dem Menüpunkt >File< >New< angelegt. Es öffnet sich ein Menüfenster wo

der Speicherort sowie der Dateiname angegeben werden. Für das zu berechnende Rotor‐

blatt einer Windkraftanlage wird der Dateiname Rotorblatt.db gewählt (Abbildung 11).

Durch klicken auf >OK< wird die neue Datei erstellt.


Seite 21

In der oberen linken Ecke des Bearbeitungsfensters wird der Dateiname angezeigt

(Abbildung 12). Die aktivierten Funktionsbuttons sowie die unterschiedlichen Bearbeitungs‐

menüs werden oberhalb des Bearbeitungsfensters angezeigt. Rechts vom Bearbeitungsfens‐

ter befinden sich die unterschiedlichen Eingabemasken, welche den oben gewählten Menü‐

punkten angepasst werden.

Abbildung 12 Programmoberfläche nach anlegen einer Database Datei

Abbildung 11 Anlegen einer neuen Database


Seite 22

Zur Projektbearbeitung wird das Bearbeitungsmenü von links nach rechts und die dazugehö‐

rigen Eingabemasken von oben nach unten bearbeitet.

In der Eingabemaske „Model Preference for: Rotorblatt.db“, welche nach dem erstellen der

Database Datei geöffnet ist, dürfen keine Änderungen vorgenommen werden.

Bei der Erstellung der zu bearbeitenden Geometrie wurde auf das CAD‐System Solid Edge

V19 von Siemens PLM Software® aus der „Velocity Series“ zurückgegriffen. Diese CAD Daten

werden in MSC Patran®2005 importiert. Da die Geometrie nicht mit Hilfe von MSC Pat‐

ran®2005 erstellt und nicht bearbeitet wird, wird der Punkt „Geometrie“ aus dem Bearbei‐

tungsmenü nicht gebraucht.

6.1.2 Importieren der CADDaten Das in Solid Edge V19 erstellte CAD‐Modell wird als .iges Datei in MSC Patran® importiert.

Hierzu wird im Menü >File< der Befehl >Import< ausgewählt. Im sich öffnenden Menüfens‐

ter (Abbildung 13) wird als >Object: Model< und als >Source: IGES< ausgewählt. Anschlie‐

ßend wird der Button >IGES Options< angewählt. In dem sich rechts öffnenden Menü muss

>Model Units< ausgewählt werden. Hier muss unter >Model Unit Override< die voreinges‐

tellte Einheit von „39.370079 (Inches)“ auf >1000.0 (Millimeters)< geändert und mit >OK<

und >Yes< bestätigt werden. Anschließend wird der Speicherort der Datei „Rotor.igs“ aus‐

gewählt.

Abbildung 13 Import Menüfenster

Mit einem Klick auf >Apply< wird die Datei importiert. Es erscheint ein Fenster mit einer Zu‐

sammenfassung der importierten Geometrie, die „IGES Import Summary“ (Abbildung 14).


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Diese wird mit einem Klick auf >OK< geschlossen. Das Bearbeitungsfenster mit dem impor‐

tierten Model ist in (Abbildung 15) dargestellt.

Abbildung 14 IGES Import Summary

Abbildung 15 Bearbeitungsfenster nach Import der Geometrie


Seite 24

6.1.3 Vernetzung Im Folgenden wird das Rotorblatt vernetzt. Da das Rotorblatt nur aus Surfaces besteht, wer‐

den zunächst die Seiten der einzelnen Surfaces mit Knotenpunkten belegt. Allerdings nur die

Seiten in y‐Richtung (siehe Abbildung 16). Mit der Funktion Mesh Seed wird eine genaue

Anzahl an Knotenpunkten definiert, die an einer Bauteilkante liegen sollen, um dort die

Netzfeinheit in diesem Bereich zu definieren. Für eine bessere Ansicht wird >smooth sha‐

bed< ausgewählt. Zur Erstellung dieser Knotenpunkte wird in der Rubik Elements >Create<,

>Mesh Seed<, >Uniform<, bei >Number of Elements< 20 eingegeben. Das heisst, dass auf

dieser Bauteilkante 20 Knotenpunkte gesetzt werden. Es werden auf jeder Kante Knoten‐

punkte gesetzt, damit bei der Vernetzung keine Versetzungen an einem Surface‐Übergang

entstehen. In der >Curve List< werden die einzelnen Surface‐Seiten eingegeben (Surface 3.1,

6.2, 2.2, 7.1, 3.3, 5.1, 2.4, 4.2, 5.3, 11.3, 4.4, 10.4, 16.1, 11.1, 10.2, 15.2, 13.2, 16.3, 15.4,

14.1, 12.2, 13.4, 14.3, 12.1, 9.2, 8.5, 9.1, 1.3).Es ist zu beachten, dass der Kreis aus 4 Seg‐

menten besteht und hier die >Number of Elements< lediglich 10 sind. In der >Curve List<

werden die Surfaces durch anklicken der einzelnen Surface eingetragen oder die Surface

wird direkt in der Curve List eingetippt (Surface 6.5, 8.3, 7.3, 8.2, 7.4, 1.1, 6.4, 1.5). Dieser

Vorgang wird über >Apply< abgeschlossen.

Abbildung 16 Mesh Seed Uniform

Anschließend wird das gesamte Rotorblatt vernetzt. Dies geschieht über Elements >Create<,

>Mesh<, >Surface<. Bei Element Shape ist >Quad<, bei Mesher >Iso Mesh< und bei Topolo‐

gy ist >Quad 4< auszuwählen. Bei Global Edge Length wird Automatic Calculation entfernt

und ein >Value< von 10 eingetragen. Mit diesem Wert kann die Feinheit des Netzes be‐

stimmt werden. Nun werden die Surfaces in der >Surface List< eingetragen. Allerdings wer‐

den nur die Surfaces ab dem zweiten Profilabschnitt des Rotorblattes (Surface 2:5, 10:11,

13:16) mit Iso Mesh vernetzt. Der Ring (Surface 8 und 1), sowie der Deckel (Surface 9) als

auch der erste Profilabschnitt (Surface 6 und 7) des Blattes werden mit Mesher >Paver< und

>Value< von 10 vernetzt. Die Vernetzung am Endes des Rotorblattes erfolgt zu einem späte‐

Kreis aus 4 Segmenten


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ren Zeitpunkt. Das Auswählen der Surfaces kann durch anklicken der einzelnen Surfaces ge‐

schehen oder durch ziehen eines Fenster mit halten der linken Maustaste über den gesam‐

ten Bereich. Die Vorgänge (Vernetzung Iso Mesh und Paver) werden über >Apply< abge‐

schlossen.

Das Ende des Rotorblattes (Surface 12) wird in zwei Flächen geteilt. Zuerst wird eine Linie

erstellt. Dies geschieht über Geometry >Create< >Curve<, Method >Point< Option >2

Point<, >Point Starting< Point 49 und >Ending Point< Point 52. Dies sind die beiden Punkte

an den jeweiligen Ecken der Surfaces. Mit >Apply< wird die Linie erstellt. Nun werden über

Geometry >Create<, >Surface<, Method >Curve<, Option >2Curve< zwei Surfaces erstellt.

Als >Starting Curve List< wird Curve 1 und >Ending Curve List< wird Surface 13.4 ausge‐

wählt und bei der zweiten Fläche >Starting Curve List< Curve 1 und >Ending Curve List< Sur‐

face 14.3. Dies wird jeweils über >Apply< abgeschlossen.

Abbildung 17 Teilen der Surface

Auf der erstellten Linie (Curve 1) wird über Element >Create< >Mesh Seed< >Uniform<

>Number of Elements< 20 Knotenpunkte gelegt. Im Anschluss werden die neu definierten

Flächen (Surface 17 und Surface 18) mit Elements >Create<, >Mesh<, >Surface< vernetzt.

Als Element Shape wird >Quad<, als Mesher >Paver< und Topology >Quad 4< ausgewählt.

Allerdings wird hier der Value bei Global Edge Length auf 5 gesetzt, da die Fläche sehr klein

ist. Die Vernetzung wird mit >Apply< abgeschlossen.

Curve 1

Surface 18 Point 52

Point 49

Surface 17


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Abbildung 18 Netz am Ende des Rotorblattes

Abbildung 19 Mesh Seed Uniform und Mesh Surface

Abbildung 20 Mesh

Abbildung 20 zeigt, dass die einzelnen Netzlinien ab dem zweiten Profilabschnitt gerade in

eins übergehen. An den Stellen, an denen das Paver Netz liegt ist die Geometrie biparamatic,

so dass kein Iso Mesh Netz gelegt werden kann.

Vernetzung mit Iso Mesh

Vernetzung mit Paver

Vernetzung mit Paver


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An den Kanten der Surface, wo die Knotenpunkte des Mesh Seed liegen, sind durch die Ge‐

samtvernetzung doppelte Knotenpunkte entstanden. Diese werden im nächsten Schritt ent‐

fernt und somit die Bauteile verbunden. In der Rubrik Elements >Equivalence<, Object

>All<, Method >Tolerance Cube<, wird bei >Equivalencing Tolerance< 10 eingetragen. Mit

>Apply< wird dieser Vorgang abgeschlossen. Nun werden die doppelten Knotenpunkte ge‐

löscht und markiert (Abbildung 21). Hier kann kontrolliert werden, ob alle doppelten Knoten

gelöscht wurden und die Profilabschnitte verbunden wurden, da diese auf allen Kanten der

Surfaces liegen müssen. Zum Einen sind es die Mesh Seeds Knoten, denn dort laufen die

Netze der beiden Surfaces aufeinander. Zum Anderen sind es die Knoten an der anderen

Kante der Surface, da auch hier die Netze ineinander übergehen. Falls nicht alle Knoten mar‐

kiert sind, muss der Vorgang wiederholt werden und mit Hilfe >Nodes to be excluded< der

Bereich eingeschränkt werden.

Abbildung 21 Löschung der doppelten Knoten


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6.2 Materialerstellung Das Rotorblatt besteht insgesamt aus drei verschiedenen Materialtypen. Diese müssen alle

einzeln definiert werden und dem jeweiligen Teil des Rotors zugeordnet werden. Die Ein‐

spannung besteht aus einer Mischung aus Aluminium und CFK. Hier wird um das CFK ein

Aluminiumring geklebt. Der Rest des Flügels besteht aus CFK. Der Deckel an Anfang des Ro‐

tors besteht aus Aluminium.

6.2.1 Erstellung der Grundwerkstoffe Im Folgenden wird der Grundwerkstoff für das Laminat, als auch für das Aluminium erzeugt.

Für das Laminat ist als Grundwerkstoff ein CFK‐Tape vorgesehen.

Zur Erstellung des CFK‐Tapes sind folgende Menüpunkte auszuwählen:

Materials, >Create<, >2d Orthotropic<, >Manual Input<. Als nächstes ist ein Name für das

Material einzugeben. Hierfür wird >CFK‐Tape< bei Material Name eingetragen. Durch kli‐

cken auf den Button >Input Properties< öffnet sich ein Fenster, in dem die Materialkenn‐

werte einzugeben sind. Diese sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Beschreibung Wert (Value)

EModul längs der Faser 181000 N/mm²

EModul quer zur Faser 10300 N/mm²

Querkontraktionszahl 0.28

Schubmodul xy 7170 N/m²

Schubmodul yz 5000 N/m²

Schubmodul xz 7170 N/m²

Dichte 1.6E‐09 kg/m³

Tabelle 6 Kennwerte Laminat

Nun ist im Auswahlfeld Constitutive Model auf >Linear Elastic< zu stellen. Dann ist dieses

Fenster über >OK< zu verlassen (Abbildung 22). Zum Erzeugen des Werkstoffes ist auf >App‐

ly< zu klicken. Daraufhin erscheint in der Liste Existing Material: CFK‐Tape.


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Abbildung 22 Input Options Laminat

Die Erstellung des Aluminiums erfolgt über >Create<, >Isotropic<, >Manual Input<. Hier wird

bei Material Name >Aluminium< eingetragen. Unter Input Properties werden lediglich zwei

Kennwerte eingetragen. Diese sind tabellarisch in Tabelle 7 aufgeführt.

Beschreibung Wert (Value)

EModul längs der Faser 72000 N/mm²

Querkontraktionszahl 0.3

Tabelle 7 Kennwerte Aluminium

Dieser Vorgang wird über >OK< und anschließend >Apply< abgeschlossen. Auch das Alumi‐

nium taucht nach Abschluss in dem Feld Existing Materials auf.


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6.2.2 Erstellung des Laminats Das Laminat besteht aus mehreren Schichten. Diese müssen alle einzeln in das System ein‐

gepflegt werden. Dies geschieht unter der Rubrik Materials. Zunächst wird auf Action >Crea‐

te<, Object >Composite< und Method >Laminat< geklickt. Nun öffnet sich automatisch das

Fenster Laminated Composite (Abbildung 23). In diesem Fenster werden Schritt für Schritt

alle benötigten Angaben für das Laminat eingetragen.

Zuerst wird im oberen linken Pull‐Down‐Menü >Symmetric< ausgewählt, da das Laminat

einen symmetrischen Aufbau hat. Durch diese Einstellung sind lediglich acht der insgesamt

16 Lagen einzugeben. Nun ist darauf zu achten, dass der Text Entry Mode auf >Insert< ein‐

gestellt ist. Des Weiteren ist >Material Names< auszuwählen. Im Hauptfenster kann nun

CFK‐Tape eingetragen werden und achtmal auf >Load Text Into Spreadsheet< geklickt wer‐

den. Anschließend wird >Thicknesses< ausgewählt, der Text Entry Mode springt automa‐

tisch auf >Overwrite< um. Im Hauptfenster wird nun die Dicke der einzelnen Schichten ein‐

getragen, diese beträgt 0,25mm, somit muss >0.25< eingetragen werden und wiederum

achtmal auf Load Text Into Spreadsheet geklickt werden. Als drittes werden die Orientie‐

rungen des Laminats festgelegt. Diese beschreibt den Winkel (Ausrichtung) der einzelnen

Matten des Laminates. Diese Richtungsangaben werden folgendermaßen eingetragen >45

‐45 0 90 45 ‐45 0 90<. Die Eingabe ist wieder über Load Text Into Spreadsheet in die Tabelle

zu laden. Als Offset wird >‐4< angegeben, da das Laminat insgesamt 4 mm dick ist.

Sind alle Eingaben getätigt worden, wird im Textfeld Material Name im rechten Fenster

CFK_Laminat_Fluegel eingeben. Durch ein Klick auf >Apply< ist das Laminat für den Flügel

erzeugt. Anschließend steht in Laminated Composite: CFK_Laminat_Fluegel.


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Abbildung 23 Erstellung des Laminats für den Flügel

Die Erstellung des Materials für die Einspannung erfolgt analog. Allerdings wird hier noch das

Material Aluminium hinzugefügt, wie in Abbildung 24 sichtbar. Da der Ring aus CFK besteht

und in einen Aluminium Ring geklebt wird. Für das Aluminium wird eine Dicke von >2< mm

angenommen und die Orientierung ist >0<. Somit erhöht sich der Offset auf >‐8<. Das Alu‐

minium muss an erster Stelle stehen, da so gewährleistet wird, dass das Aluminium Innen

und Außen am Ring existiert. Diese Mischung aus Laminat und Aluminium wird mit

CFK_Alu_Laminat_Einspannung in Material Name eingetragen. Dieser Vorgang wird mit

>Apply< abgeschlossen und das Material erscheint in Laminates Composites.


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Abbildung 24 Laminat und Aluminium Ring

In den Existing Materials tauchen nun alle vier Materialien auf.

• Aluminium

• CFK_Laminat_Fluegel

• CFK_Alu_Laminat_Einspannung

• CFK‐Tape


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6.2.3 Zuordnung der Materialien Die Zuordnung der Materialien erfolgt über Properties. Hier wird >Create<, >2D<, >Shell<

ausgewählt.

Abbildung 25 Zuordnung der Materialien am Flügel

Zunächst soll dem Deckel das Material zugewiesen werden. Hierzu wird als Property Set

Name >Rotor_Deckel< eingetragen. Als Optionen werden >Homogeneous< und >Standard

Formulation< angeklickt. Bei den Input Properties öffnet sich automatisch ein neues Fenster

(Abbildung 29). In diesem Fenster wird bei Value Type Mat Prop Name >Aluminium< aus‐

gewählt. Bei Thickness wird >5< eingegeben über >OK< ist das Fenster zu verlassen. In der

Application Region wird bei Select Members >Surface 9< ausgewählt (Deckel).

Abbildung 26 Zuordnung Aluminium

Deckel

Ring

Ende


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Nun erfolgt die Zuordnung für den Ring. Hierbei wird als Property Set Name >Ro‐

tor_Einspannung< eingetragen. Die Optionen werden nun auf >Laminate<, >Standard For‐

mulation< eingestellt. Die Input Properties werden mit CFK_Alu_Laminat_Einspannung und

Material Orientation als Vector ><1 0 0>< festgelegt und über >OK< abgeschlossen. Die da‐

zugehörige Application Region, Select Members >Surface 1 8<.

Der >Rotor< als Property Set Name mit den Optionen >Laminate<, >Standard Formulation<

und Input Properties CFK_Laminat_Fluegel und Material Orientation den Vector ><1 0 0><

wird als drittes zugeordnet und über >OK< verlassen. Die Application Region, Select Mem‐

bers sind die >Surfaces 2:7 10:16<.

Abbildung 27 Zuordnung Laminat Fluegel

Als Letztes wird das Ende des Rotors den Materialeigenschaften zugeordnet. Der Property

Set Name lautet <Rotor_Ende<. Die Input Properties werden mit Material Prop Name

>CFK_Laminat_Fluegel< bestimmt. Allerdings wird hier der Vector ><0 1 0>< bei Material

Orientation eingetragen und über >OK< abgeschlossen. Die Application Region, Select


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Members sind die >Surfaces 17 18<. Der Vektor geht hier in y‐Richtung, da die Surfaces 17

und 18 eine andere Ausrichtung haben als die Surfcaes 2:7; 10:16.

Nach jedem Eintrag in die Select Members müssen über >Add< die Surfaces in die Applicati‐

on Region übertragen werden. Jeder dieser 4 Schritte wird einzeln über >Apply< abgeschlos‐

sen. Nach jeder einzelnen Zuordnung, tauchen die jeweiligen Property Set Name in der Liste

auf.

Abbildung 28 Zuordnung der Materialien

Zur Kontrolle der Orientierung der Materialien wird >Utilities<, >Display<, >Plot Material

Orientation< ausgewählt. Es werden die Materialnormalen angezeigt (rote Pfeile). Rechts

öffnet sich das dazugehörige Menü. Unter Display Options ist >X dir< auszuwählen und un‐

ter >Element List< sind alle Elemente durch ziehen Maus mit Haltung der linken Maustaste

zu markieren und mit >Apply< abschließen. Nach der Überprüfung der Orientierung wird

über >Reset Graphics< die Anzeige der Materialorientierung gelöscht.


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Abbildung 29 Materialorientierung Gesamtbauteil

Abbildung 30 Materialorientierung am Profilübergang 1 zu 2

Abbildung 31 Materialorientierung am Ende des Rotors


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6.3 Lagerung Das Bauteil wird fest eingespannt, so dass sich der Flügel weder rotatorisch noch translato‐

risch bewegen kann. Dies geschieht in der Rubrik Loads/BC. Es wird die Action >Create<,

Object >Displacement< und als Type >Nodal< durchgeführt. Als New Set Name wird >Ein‐

spannung< eingetragen. Anschließend erfolgen die Input Data. Hier werden die Freiheits‐

grade als Vektor angegeben. Da der Rotor fest eingespannt werden soll, wird bei Translati‐

ons ><0,0,0>< und auch bei Rotations ><0,0,0>< eingegeben. Dieses Fenster ist über >OK<

zu verlassen. Nun wird die Select Application Region angeklickt. Bei dem Geometry Filter

wird >FEM< ausgewählt. In der Application Region, werden alle Knoten am Ring des Rotors

ausgewählt. Hierbei muss beachtet werden, dass man keine Knoten vom ersten Profilab‐

schnitt erwischt, so dass die Kante des ersten Profilabschnittes nicht ausgewählt wird. Über

>Add< werden die Knoten in die Application Region eingetragen. Dieses Fenster ist wieder

über >OK< zu verlassen. Mit >Apply< wird die Einspannung erstellt. Nun taucht die Einspan‐

nung in der Existing Sets auf. Nach Festlegung der Lagerung ergibt sich Abbildung 32.

Abbildung 32 Einspannung


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6.4 Berechnung Parkstellung (L1) Im Folgenden werden die Kräfte für den Lastfall 1 zugeordnet und anschließend berechnet.

Es werden zunächst Kopien unter dem Namen Rotor_L1 als auch Rotor_L2 gespeichert. Die

Datei Rotorblatt wird geschlossen und die gespeicherte Datei Rotor_L1 geöffnet.

6.4.1 Zuordnung der Kräfte L1 Im Lastfall L1 wirken lediglich zwei angreifende Kräfte. Die Gewichtskraft und die Schubkraft

werden in der Rubrik Loads/BC dem Rotor zugeteilt. Als erstes wird die Gewichtskraft be‐

stimmt. Hierzu wird Action >Create<, Object >Inertial Load< ausgewählt. Der New Set Name

lautet >Gewichtskraft<. Bei Input Data wird bei Trans Accel der Vektor ><0,9.81,0>< einget‐

ragen, da die Gewichtskraft in positiver y‐Richtung wirkt und mit >OK< geschlossen. Über

>Apply< wird der Vorgang abgeschlossen und die Gewichtskraft ist für das gesamte Bauteil

erstellt (Abbildung 33). Die Select Application Region ist nicht zu beachten, da das Programm

bei Inertial Load automatisch das gesamte Bauteil betrachtet.

Abbildung 33 Gewichtskraft

Anschließend werden die Kräfte der Schubkraft angetragen. Dies erfolgt ebenfalls in der

Rubrik Loads/BC. Es wird die Action >Create<, Object >Pressure< und Type >Element Uni‐

form< angeklickt. Als Target Element Type wird >2D< ausgewählt. Da als Objekt Pressure

angeklickt wurde, muss die Kraft, die in Kapitel 5.2 berechnet wurde, in Druck (N/mm2) um‐

gerechnet werden. Hierzu lässt man sich die Oberflächengröße der einzelnen Profilabschnit‐

te anzeigen. Dies erfolgt in der Rubrik Geometry. Es wird die Action >Show<, Object >Surfa‐

ce<, Info >Attributes< ausgeführt. In der Surface List werden die Oberflächen >Surfaces 3 5

6 11 13 16< ausgewählt. Dies wird über >Apply< abgeschlossen. Es öffnet sich automatisch

das Fenster Show Surface Attribute Information mit den ausgewählten Oberflächeneigen‐

schaften (Abbildung 34).


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Abbildung 34 Oberflächeneigenschaften

In der Spalte Areas können die Oberflächengrößen entnommen werden. Nun wird die be‐

rechnete Kraft aus Kapitel 5.2 durch die jeweilige Fläche geteilt.

Als Ergebnis zeigt sich, dass die Druck in jedem Teilabschnitt 0,0014 N/mm2 beträgt.

Die Einstellungen in der Rubrik Loads/BC zum festlegen der Schubkraft sind die gleichen, wie

bei der Gewichtskraft. Bei New Set Name wird nun >Druck< eingetragen und als Input Data

wird bei Top Surf Pressure >0.0014< eingetragen, über >OK< ist dieses Fenster wieder zu

verlassen. Die Select Application Region sind wieder die Oberflächen >Surface 3 5 6 11 13

16<, die über >Add< aktiviert werden, wobei hier der Geometry Filter auf >Geometry< ge‐

stellt werden muss, einzutragen. Mit Hilfe von >OK< im Nebenfenster und >Apply< im

Hauptfenster ist der Druck erstellt worden. Abbildung 35 zeigt alle angreifenden Kräfte für

den Lastfall L1.

Abbildung 35 Schubkraft

6.4.2 Berechnung L1 Die Berechnung erfolgt in der Rubrik Analysis. Hierzu wird in der Action >Analyze<, Object

>Entire Model< und Method >Full Run< gewählt. Als Job Name wird >Rotor_L1< eingege‐

ben. Anschließend wird auf >Apply< geklickt. Nach erfolgreicher Durchrechnung, wird nun

als Action >Access Results<, Object >Attach XDB< und als Method >Both< ausgewählt. Un‐

ter Select Results File ist die Datei >Rotor_L1< zu aktiveren, dieser Vorgang wird über >App‐

ly< abgeschlossen.


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6.4.3 Ergebnis L1 Das Ergebnis ist in der Rubrik Results wiederzufinden. Da das Rotorblatt nicht gerade im

Wind steht, wird das Koordinatensystem um wenige Grad gedreht, so dass sich das Rotor‐

blatt in negative z‐ als auch negative y‐Richtung verschiebt.

Nun wird in der Action >Create<, Object >Quick Plot< und in der Select Result Cases >De‐

fault, A1:Static Subcase< ausgewählt. In der Select Fringe Result wird >Displacements,

Translational< und als Quantity >Magnitude< angeklickt. Als letztes wird in der Select De‐

formation Result ebenfalls >Displacements, Translational< gewählt und mit >Apply< abge‐

schlossen, so dass sich das Bild, mit einer Verschiebung um maximal 42,9 mm, ergibt.

Abbildung 36 Maximale Verschiebung

Zur Veranschaulichung der Verläufe wird eine andere Einstellung gewählt. Als erstes wird

über Plot Erase Form (Display menu) die Geometrie gelöscht (Geometry >Erase<) und mit

>OK< abgeschlossen. Anschließend wird in der Rubrik Results Action >Create<, Object

>Quick Plot< ausgewählt und auf den Button >Fringe Attributes< geklickt. Nun wird unter

Style >Continous< ausgewählt und mit >Apply< aktiviert.


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Abbildung 37 Einstellung Spannungsverläufe

Zur Darstellung der Spannungsverläufe wird in der Rubrik Results Action >Create<, Object

>Quick Plot< ausgewählt und auf den Button >Deform Attributes< geklickt. Nun wird das

Häkchen bei >Show Undeformed< herausgenommen, damit die Abmaße des Flügels er‐

kennbar sind und mit >Apply< abgeschlossen

Um die einzelnen Schichten des Laminats begutachten zu können, wird in der Rubrik Results

Action >Create<, Object >QuickPlot< und als Select Fringe Result wird >Stress Tensor< aus‐

gewählt. Als Select Deformation Result wird >Displacement, Translational< angeklickt. Als

Quantity wird >von Mises< ausgewählt. Klickt man auf den Button >Position ...< kann jeder

einzelne Layer durch anklicken ausgewählt werden und mit >Close< abgeschlossen werden.

Anschließend wird auf >Apply< gedrückt und die Spannungsverläufe des ausgewählten

Layers werden angezeigt.


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Abbildung 38 Layer 1 Oberseite

Abbildung 39 Layer 1 Unterseite


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Abbildung 40 Layer 9 Oberseite

Abbildung 41 Layer 9 Unterseite

6.4.4 Auswertung der Ergebnisse Lastfall L1 Bei der Betrachtung der Ergebnisse aus Lastfall L1 (Parkstellung mit extremer Windböe) las‐

sen sich am Rotorblatt die Verschiebungen in Richtung Mast und nach unten erkennen. Die‐

ses ist auf die Schrägstellung des Rotorblatts zurückzuführen. Die maximale Verformung be‐

trägt 42,9 mm. Diese Verformung ist auf die Gesamtlänge des Rotorblatts von 4000 mm als

unkritisch anzusehen.

Des Weiteren lassen sich sehr gut die Spannungsspitzen am Rotorblatt erkennen. Diese sind

im Übergang zwischen Profilabschnitt 1 und Profilabschnitt 2 zu erkennen wie an den Layern

1 und 9 ersichtlich wird (Abbildungen 38‐41) Die maximalen Spannungen werden in Layer 1

sichtbar und liegen bei bis zu 88,4 N/mm2. Sie überschreiten also bei weitem nicht die Mate‐

rialkennwerte (Tabelle 6). Die maximalen Spannungen treten am Übergang zwischen Profil‐

abschnitt 1 und 2 auf, da es hier ein Knick in der Rotorblatt‐Geometrie gibt. Dieser Knick ist


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aufgrund der Geometrieübergänge von der Rotorblattaufnahme (Kreis) zum NACA‐Profil

4424 und dem Übergang vom Profilabschnitt 1 zu Profilabschnitt 2 zu begründen, da hier

von strömungstechnisch ungünstigen Profilen (Kreis und NACA 4424, welches auf Grund der

hohen Biegemomente in diesem Bereich zum Einsatz kommt) auf die strömungstechnisch

günstigeren Profile gewechselt wird.

Da die zulässigen Werte nicht überschritten werden, kann angenommen werden, dass das

Rotorblatt einer 50 Jahresböe standhält.

6.5 Berechnung Produktionsbetrieb (L2) Im Folgenden werden die Kräfte für den Lastfall 2 zugeordnet und anschließend wird der

Rotor berechnet. Hierzu wird die Database Datei Rotor_L2 geladen, welche nach Erstellung

der Lagerung gespeichert wurde.

6.5.1 Zuordnung der Kräfte L2 Im Lastfall 2 wirken vier angreifende Kräfte (Abbildung 9). Diese werden in der Rubrik

Loads/BC dem Rotor zugeteilt.

Als erstes wird die Gewichtskraft bestimmt. Hierzu wird Action >Create<, Object >Inertial

Load< ausgewählt. Der New Set Name lautet >Gewichtskraft<. Bei Input Data wird bei Trans

Accel der Vektor ><0,9.81,0>< eingetragen und mit >OK< verlassen. Über >Apply< wird der

Vorgang abgeschlossen und die Gewichtskraft ist für das gesamte Bauteil erstellt (Abbildung

33).

Das Antragen der Schubkräfte erfolgt in der Rubrik Loads/BC. Hierzu wird Action >Create<,

Object >Pressure< und Type >Element Uniform< angeklickt. Als New Set Name wird für den

wirkenden Druck in Profilabschnitt 1 >Durck_1< eingetragen. Als Target Element Type wird

>2D< ausgewählt. Da als Objekt Pressure angeklickt wurde, muss die Kraft, die in Kapitel 5.4

berechnet wurde, in Druck (N/mm2) umgerechnet werden. Hierzu lässt man sich die Oberflä‐

chengröße der einzelnen Profilabschnitte anzeigen. Dies erfolgt in der Rubrik Geometry. Es

wird die Action >Show<, Object >Surface<, Info >Attributes< ausgeführt. In der Surface List

werden die Oberflächen >Surfaces 3 5 6 11 13 16< ausgewählt. Dies wird über >Apply< ab‐

geschlossen. Es öffnet sich automatisch das Fenster Show Surface Attribute Information mit

den ausgewählten Oberflächeneigenschaften (Abbildung 34). In der Spalte Areas können die

Oberflächengrößen entnommen werden. Nun wird die berechneten Kräfte aus Kapitel 5.4

durch die jeweilige Fläche geteilt.

Als Ergebnis wurden die Drücke, welche in Tabelle 8 dargestellt sind ermittelt.

Profilabschnitt Surface ID Kraft (N) Fläche (mm2) Druck (N/mm2)

1 6 97,51 320556 0,000304


Seite 45

2 3 162,76 329014 0,000494

3 5 196,70 231183 0,000851

4 11 459,73 273615 0,001680

5 16 362,29 179545 0,002018

6 13 79,06 40532 0,001951

Tabelle 8 Eingaben Druckkräfte

Nun kann der Druck unter Input Data eingetragen werden. Bei Top Surf Pressure wird

>0.000304< eingetragen, über >OK< ist dieses Fenster wieder zu verlassen. Als Select Appli‐

cation Region wird die Oberfläche >Surface 6< ausgewählt, diese wird über >Add< aktiviert.

Hierbei ist zu beachten, dass der Geometry Filter auf >Geometry< gestellt werden muss.

Mit Hilfe von >OK< im Nebenfenster und >Apply< im Hauptfenster wird der Druck erstellt.

Das Antragen der weiteren Drücke für die Profilabschnitte zwei bis sechs erfolgt nach dem

Schema für Druck 1. Die Einstellungen werden übernommen, jedoch wird als New Set Name

>Durck_2< für Profilabschnitt 2, >Durck_3< für Profilabschnitt 3 etc. eingetragen. Die Drücke

für die jeweiligen Profilabschnitte werden aus Tabelle 8 übernommen.

Im Folgenden werden die Umfangskräfte angetragen. Dieses erfolgt wie beim aufgeben der

Schubkräfte Abschnittsweise. Es kommt allerdings der Befehl Total Load zum Einsatz. Hierzu

wird Action >Create<, Object >Total Load< und Type >Element Uniform< ausgewählt. Der

New Set Name lautet >Umfangskraft_1<. Als Target Element Type wird >2D< ausgewählt.

Bei Input Data wird bei Edge Load der Vektor ><0,15.3,0>< eingetragen. Über >OK< wird der

diese Eingabe übernommen. Im Anschluss wird bei Select Application Region die Oberfläche

>Surface 6.1< ausgewählt, diese wird über >Add< in die Application Region übernommen.

Hierbei ist zu beachten, dass der Geometry Filter auf >Geometry< gestellt ist. Mit Hilfe von

>OK< wird das Untermenü zu Select Application Region geschlossen. Mit Hilfe von >Apply<

wird die erste Umfangskraft erstellt. Für die weiteren Umfangskräfte ist wie nach dem o.a.

Schema zu verfahren. Die abweichenden Werte sind aus Tabelle 9 zu entnehmen.

Profilabschnitt Surface ID New Set Name Kraft in yRichtung (N)

1 6.1 Umfangskraft_1 15,30

2 2.1 Umfangskraft_2 ‐15,78





Tabelle 9 Eingaben Umfangskräfte


Seite 46

Abschließend wird die Radialkraft in das System eingeleitet. Dieses geschieht mit Hilfe des

Befehls Inertial Load. Um diesen Befehl nutzen zu können, wird zunächst ein Zylinderkoordi‐

natensystem im Mittelpunkt der Rotornabe erstellt. Dieses ist notwendig, damit das Rotor‐

blatt bei der Einleitung der Radialkraft um seine Drehachse rotieren kann. Dieses Koordina‐

tensystem wird in der Rubrik Geometry erstellt. Hierzu muss zunächst ein Punkt im Dreh‐

punkt der Rotornabe erstellt werden. Hierzu wird im Menü Action >Create<, Object >Point<

und Method >XYZ< ausgewählt. In der Point ID List erscheint automatisch der Name des zu

erstellenden Punktes, in diesem Fall >65<. Bei Refer. Coordinate Frame ist >Coord 0< anzu‐

geben. Unter Point Coordinates List wird der Vektor ><‐150,125,0>< einzutragen. Durch

klicken auf >Apply< wird der Punkt erstellt. Anschließend wird das Koordinatensystem mit

Ursprung in dem soeben erstellten Punkt eingefügt. Hierzu wird unter der Rubrik Geometry,

Action >Create<, Object >Coord< und Method >2Vector< angeklickt. In Coord ID List wird

das Koordinatensystem mit der Zahl >1< nummeriert. Als Type ist >Rectangular<, Axis >Axis

1 and 2< und unter Refer. Coordinate Frame das Ursprungskoordinatensystem >Coord 0<

anzugeben. Es folgt die Eingabe von Origin >Point 65<, Vector for Axis 1 ><1,0,0>< und Vec‐

tor for Axis ><0,1,0><. Durch einen Klick auf >Apply< wird das Koordinatensystem erstellt.

Im Folgenden wird nun die Radialkraft über Inertial Load angetragen. Hierzu werden zu‐

nächst unter der Rubrik Loads/BC die Menüpunkte Action >Create<, Object >Inertial Load<

und Type >Element Uniform< ausgewählt. Unter New Set Name wird >Radialkraft< einget‐

ragen. Bei Input Data wird bei Rot Velocity der Vektor ><0,0,2.75>< eingetragen, da sich der

Flügel mit einer Geschwindigkeit von 2,75 s‐1 dreht. Nun muss bei Input Data unter Analysis

Coordinate Frame >Coord 1< als Referenzkoordinatensystem angegeben werden. Durch

klicken auf >OK< und >Apply< wird der Vorgang abgeschlossen und die Radialkraft ist für das

gesamte Bauteil erstellt.

Die nun vollständig angetragenen Belastungen sind in Abbildung 42 aufgezeigt.

Abbildung 42 Angetragene Kräfte L2


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6.5.2 Berechnung L2 Die Berechnung erfolgt wie in Kapitel 6.4.2.

Die Berechnung erfolgt in der Rubrik Analysis. Hierzu wird in der Action >Analyze<, Object

>Entire Model< und Method >Full Run<. Als Job Name wird >Rotor_L2< eingegeben. An‐

schließend wird auf >Apply< geklickt. Nach erfolgreicher Durchrechnung, müssen die Ergeb‐

nisse angehängt werden. Hierzu wird als Action >Access Results<, Object >Attach XDB< und

als Method >Both< ausgewählt. Unter Select Results File ist die Datei >Rotor_L2< zu aktive‐

ren und dieser Vorgang wird über >Apply< abgeschlossen.

6.5.3 Ergebnis L2 Die Anzeige der Ergebnisse erfolgt wie in Kapitel 6.4.3.

Das Ergebnis ist in der Rubrik Results wiederzufinden. Da das Rotorblatt nicht gerade im

Wind steht, wird das Koordinatensystem um wenige Grad gedreht, so dass sich das Rotor‐

blatt in negative z‐ als auch negative y‐Richtung verschiebt.

Nun wird in der Action >Create<, Object >Quick Plot< und in der Select Result Cases >De‐

fault, A1:Static Subcase< ausgewählt. In der Select Fringe Result wird >Displacements,

Translational< und als Quantity >Magnitude< angeklickt. Als letztes wird in der Select De‐

formation Result ebenfalls >Displacements, Translational< gewählt und mit >Apply< abge‐

schlossen. Dass Bild zeigt eine maximale Verschiebung von 48,7 mm auf.

Abbildung 43 Maximale Verschiebung L2

Zur Veranschaulichung der Spannungsverläufe wird zunächst die Geometrie gelöscht. Hierzu

wird über Plot Erase Form (Display menu) die Geometrie gelöscht (Geometry >Erase<) und

mit >OK< abgeschlossen. Anschließend wird in der Rubrik Results Action >Create<, Object

>Quick Plot< ausgewählt und auf den Button >Fringe Attributes< geklickt. Nun wird unter

Style >Continous< ausgewählt und mit >Apply< aktiviert. Anschließend wird auf den Button

>Deform Attributes< geklickt. Nun wird das Häkchen bei Show Undeformed rausgenom‐

men, damit die Spannungsverläufe des Rotors besser erkennbar sind.


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Im Folgenden wird der Button >Select Results< angewählt. Hier können nun die einzelnen

Schichten des Laminats begutachtet werden. Als Select Fringe Result wird >Stress Tensor<

ausgewählt. Als Select Deformation Result wird >Displacement, Translational< angeklickt.

Als Quantity wird >von Mises< ausgewählt. Klickt man auf den Button >Position ...< kann

jeder einzelne Layer durch anklicken ausgewählt werden und mit >Close< abgeschlossen

werden. Anschließend wird auf >Apply< gedrückt und die Spannungsverläufe des ausge‐

wählten Layers werden angezeigt.

Abbildung 44 Spannungsverlauf Layer 1 Oberseite

Abbildung 45 Spannungsverlauf Layer 1 Unterseite


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Abbildung 46 Spannungsverlauf Layer 9 Oberseite

Abbildung 47 Spannungsverlauf Layer 9 Unterseite

6.5.4 Auswertung der Ergebnisse Lastfall L2 Bei der Betrachtung der Ergebnisse aus Lastfall L2 (Produktionsbetrieb) lassen sich am Ro‐

torblatt die Verschiebungen in Richtung Mast und nach unten erkennen. Dieses ist auf die

Schrägstellung des Rotorblatts zurückzuführen. Die maximale Verformung beträgt 48,7 mm.

Diese Verformung ist auf die Gesamtlänge des Rotorblatts von 4000 mm als unkritisch anzu‐

sehen.

Des Weiteren lassen sich sehr gut die Spannungsspitzen am Rotorblatt erkennen. Diese sind

im Übergang zwischen Profilabschnitt 1 und Profilabschnitt 2 zu erkennen wie an den Layern

1 und 9 ersichtlich wird (Abbildungen 44‐47). Die maximalen Spannungen werden in Layer 1

sichtbar und liegen bei bis zu 60,1 N/mm2. Sie überschreiten also bei weitem nicht die Mate‐

rialkennwerte (Tabelle 6). Die maximalen Spannungen treten am Übergang zwischen Profil‐

abschnitt 1 und 2 auf, da es hier ein Knick in der Rotorblatt‐Geometrie gibt. Dieser Knick ist


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aufgrund der Geometrieübergänge von der Rotorblattaufnahme (Kreis) zum NACA‐Profil

4424 und dem Übergang vom Profilabschnitt 1 zu Profilabschnitt 2 zu begründen, da hier

von strömungstechnisch ungünstigen Profilen (Kreis und NACA 4424, welches aufgrund der

hohen Biegemomente in diesem Bereich zum Einsatz kommt) auf die strömungstechnisch

günstigeren Profile gewechselt wird.

Die Verformungen und Spannungen entstehen hauptsächlich durch die hohe Radialkraft und

Schubkraft, da die geringe Gewichtskraft Fg und die Umfangskraft Fu nur sehr geringe Biege‐

momente und Verformungen hervorrufen. Durch die Schubkraft entsteht eine Verbiegung in

Richtung Mast (negative z‐Richtung) und in negative y‐Richtung. Die Radialkraft verursacht

eine Verformung in x‐Richtung.

Da die zulässigen Werte nicht überschritten werden, kann angenommen werden, dass das

Rotorblatt den Belastungen im Produktionsbetrieb standhält.

7 Fazit Wie bei den Auswertungen der Belastungsanalysen in den Abschnitten 6.4.4 und 6.5.4 er‐

sichtlich wird, hält das Rotorblatt den Belastungen im Produktionsbetrieb sowie der 50 Jah‐

resböe stand. Die größten Spannungen treten am Übergang der Einspannung zum Rotorblatt

sowie am Übergang von Profilabschnitt 1 zu Profilabschnitt 2 auf. Wenn diese Spannungen

verringert werden, könnte das Laminat ggf. dünner gewählt werden, oder es könnten weni‐

ger Schichten Laminat eingesetzt werden.

Zur Verringerung der Spannungen müssten konstruktive Veränderungen am Rotorblatt vor‐

genommen werden. Der Knick am Übergang der Profilabschnitte 1 und 2 sollte abgerundet

werden, da durch den Knick Kerbwirkungen auftreten und diese Kerbwirkungen hohe Span‐

nungen verursachen. Des Weiteren könnte dann in diesem Bereich ein strömungstechnisch

günstigerer Profilquerschnitt gewählt werden, welcher für das Rotorblatt bessere Auftriebs‐

und Widerstandsbeiwerte hat. Hierbei ist allerdings zu überprüfen, ob das Strömungstech‐

nisch günstigere Profil auch den an dieser Stelle hohen Biegemomenten gewachsen ist. Ne‐

ben diesen Veränderungen könnten auch Untersuchungen zur optimalen Profilbreite ge‐

macht werden, denn durch die geänderte Geometrie und die dadurch minimierten Span‐

nungen könnte das Rotorblatt höhere Schubkräfte aufnehmen, ohne dass sich die Spannun‐

gen, wie sie bei der Untersuchung der Lastfälle L1 und L2 aufgetreten sind, vergrößern.

Wenn man diese Option in Betracht zieht sollte die Materialdicke zunächst nicht minimiert

werden. Dies könnte in einem weiteren Optimierungsschritt erfolgen.


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8 Verzeichnisse

8.1 Literaturverzeichnis

Literatur:

[1] Heim, R.: FEM mit Nastran, Hanser Fachbuch, München 2005

[2] Gasch, R.: Windkraftanlagen, Teubner, Stuttgart 2005, S.121‐197

[3] Werner, B.: Windenergie, VEB Verlag Technik, Berlin 1991, S.55‐58

[4] Heier, S.: Windkraftanlagen im Netzbetrieb, Teubner, Stuttgart 1996, S.11‐14

Internet‐Quellen (Stand 26.06.2008):

[6] http://www.enercon.de/de/img/Visualisierung_E48.jpg

[7] http://www.lmglasfiber.com/Technology/Design/Aerodynamics.aspx

[8] http://www.riko.net/html/literatur/reidel.pdf

[9] http://deposit.d‐nb.de/cgi‐bin/dokserv?idn=972379541&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=972379541.pdf

Studentische Arbeiten:

[10] Meyer, Lanatowitz: Simulation eines Faserverbundwerkstoffes in Patran/Nastran am

Beispiel einer einfachen Tragflügelgeometrie; Hochschule Bremen 2006; Prof. Dr.‐Ing. U.

Reinert

8.2 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Schritte zur FEM Berechnung .............................................................................................. 2 Abbildung 2 Beispiel einer Windenergieanlage [6], [7] ........................................................................... 3 Abbildung 3 Konstruiertes Rotorblatt aus Solid Edge ............................................................................. 4 Abbildung 4 Übersicht der Matrixwerkstoffe.......................................................................................... 5 Abbildung 5 Windgeschwindigkeiten, Winkel und Kräfte am Rotorblatt ............................................... 6 Abbildung 6 Widerstands‐, Auftriebsbeiwerte ....................................................................................... 7 Abbildung 7 Einteilung in Profilabschnitte .............................................................................................. 8 Abbildung 8 Angreifende Kräfte Parkstellung ....................................................................................... 13 Abbildung 9 Belastungen Lastfall L2 ...................................................................................................... 14 Abbildung 10 Startfenster MSC Patran® 2005 ...................................................................................... 20 Abbildung 12 Programmoberfläche nach anlegen einer Database Datei ............................................. 21 Abbildung 11 Anlegen einer neuen Database ....................................................................................... 21 Abbildung 13 Import Menüfenster ....................................................................................................... 22 Abbildung 14 IGES Import Summary ..................................................................................................... 23


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Abbildung 15 Bearbeitungsfenster nach Import der Geometrie .......................................................... 23 Abbildung 16 Mesh Seed Uniform ........................................................................................................ 24 Abbildung 17 Teilen der Surface ........................................................................................................... 25 Abbildung 18 Netz am Ende des Rotorblattes ...................................................................................... 26 Abbildung 19 Mesh Seed Uniform und Mesh Surface .......................................................................... 26 Abbildung 20 Mesh ............................................................................................................................... 26 Abbildung 21 Löschung der doppelten Knoten ..................................................................................... 27 Abbildung 22 Input Options Laminat .................................................................................................... 29 Abbildung 23 Erstellung des Laminats für den Flügel ........................................................................... 31 Abbildung 24 Laminat und Aluminium Ring .......................................................................................... 32 Abbildung 28 Zuordnung der Materialien am Flügel ............................................................................ 33 Abbildung 29 Zuordnung Aluminium .................................................................................................... 33 Abbildung 30 Zuordnung Laminat Fluegel ............................................................................................ 34 Abbildung 31 Zuordnung der Materialien ............................................................................................. 35 Abbildung 25 Materialorientierung Gesamtbauteil .............................................................................. 36 Abbildung 26 Materialorientierung am Profilübergang 1 zu 2 ............................................................. 36 Abbildung 27 Materialorientierung am Ende des Rotors ..................................................................... 36 Abbildung 32 Einspannung .................................................................................................................... 37 Abbildung 33 Gewichtskraft .................................................................................................................. 38 Abbildung 34 Oberflächeneigenschaften .............................................................................................. 39 Abbildung 35 Schubkraft ....................................................................................................................... 39 Abbildung 36 Maximale Verschiebung .................................................................................................. 40 Abbildung 37 Einstellung Spannungsverläufe ....................................................................................... 41 Abbildung 38 Layer 1 Oberseite ............................................................................................................ 42 Abbildung 39 Layer 1 Unterseite ........................................................................................................... 42 Abbildung 40 Layer 9 Oberseite ............................................................................................................ 43 Abbildung 41 Layer 9 Unterseite ........................................................................................................... 43 Abbildung 42 Angetragene Kräfte L2 .................................................................................................... 46 Abbildung 43 Maximale Verschiebung L2 ............................................................................................. 47 Abbildung 44 Spannungsverlauf Layer 1 Oberseite .............................................................................. 48 Abbildung 45 Spannungsverlauf Layer 1 Unterseite ............................................................................. 48 Abbildung 46 Spannungsverlauf Layer 9 Oberseite .............................................................................. 49 Abbildung 47 Spannungsverlauf Layer 9 Unterseite ............................................................................. 49

8.3 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Geometriedaten des Rotorblattes ........................................................................................... 4 Tabelle 2 Lastfälle für WEA mit Sicherheitsfaktor ................................................................................... 9 Tabelle 3 Teilsicherheitsbeiwerte ......................................................................................................... 10 Tabelle 4 Belastungen Parkstellung ...................................................................................................... 13 Tabelle 5 Belastungen Produktionsbetrieb ........................................................................................... 19 Tabelle 6 Kennwerte Laminat ................................................................................................................ 28 Tabelle 7 Kennwerte Aluminium ........................................................................................................... 29 Tabelle 8 Eingaben Druckkräfte ............................................................................................................ 45 Tabelle 9 Eingaben Umfangskräfte ....................................................................................................... 45

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