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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
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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
Christoph Schmitz 14
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Optimierungsergebnis
760 t der Gesamtmasse entfallen hierbei auf
Mast, Generator und Rotor.
Christoph Schmitz 15
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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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