HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen

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1 RLE INTERNATIONAL "Entwicklung eines automatisierten Prozesses zur parametrischen Optimierung von Offshore Windkraftwerk Gründungsstrukturen von Christoph Schmitz (B. Eng.) HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen 1

2 Übersicht RLE INTERNATIONAL Year Of Creation 1985 Germay Köln, Rüsselsheim, Sindelfingen, Wolfsburg Clients OEMs and Suppliers Sweden Trollhättan, Göteborg Core Competencies Vehicle Development India Gurgaon, Bangalore, Chennay Powertrain & Chassis Engineering Electrical & Electronics Business Services United Kingdom Basildon, Midlands ENGINEERING CENTER USA / Michigan Madison Heights ENGINEERING OFFICE Rumania, China SALES OFFICE Employees 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

3 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 Branchenübergreifendes Engineering Landmaschinentechnik Luft- und Raumfahrt Schienentechnik etc.

4 Fachbereich Technische Berechnung & Fahrzeugsicherheit Technische Berechnung & Fahrzeugsicherheit CONCEPT & DESIGN VEHICLE DEVELOPMENT MANUFACTURING ENGINEERING Akustikberechnung, Schwingungs- & Frequenzanalyse Bionik, Optimierungsmethoden Crashsimulation, Fußgänger-, Insassenschutz, Rückhaltesystementwicklung Fahrdynamik & Antrieb Finite Elemente Analyse, Dauerfestigkeits- und Ermüdungsberechnung Mehrkörpersimulation, Lastfallberechnung (1D/3D) Strömungssimulation & Thermische Simulation (CFD)

5 "Entwicklung eines automatisierten Prozesses zur parametrischen Optimierung von Offshore Windkraftwerk Gründungsstrukturen" Christoph Schmitz

6 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

7 Allgemeine Projektinformationen Förderprojekt zur Entwicklung einer energie- und materialsparenden Konstruktion von Gründungsstrukturen für Offshore-Windkraftanlagen Tripod: Quelle: AWI Kooperationspartner: Christoph Schmitz 7

8 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 Ausgangsstruktur: Lasten: verschiedene Windlastfälle (konstant) Wellenlasten (variabel) Christoph Schmitz 8

9 Allgemeine Informationen zur Optimierung 18 Designvariablen ermöglichen Strukturvariationen, Änderungen der Radien einzelner Rohre und Änderungen der Materialdicken. Christoph Schmitz 9

10 Vergleich der Wellenlasten zweier Konstruktionsvarianten Wave Load Christoph Schmitz 10

11 Moment in knm Vergleich der Wellenlasten zweier Konstruktionsvarianten Wave Load Vergleich der resultierende Momente in Wellenrichtung Variante 1 Variante Zeit in s Durch Einbindung einer Berechnung der auf die aktuelle Struktur wirkenden Wellenlasten kann die Struktur somit optimal an die Umgebung angepasst werden. Christoph Schmitz 11

12 Prozessübersicht Parametrische Optimierung (geplant) Prozesssteuerung Parametersatz (Excel) parametrisches CAD-Modell (CATIA) IGES- File Altair BatchMesher FE-Netz Radioss Simulationssetup Gesamtmodell Excel Arbeitsmappe Strukturdatei für Wave Loads txt-file Wave Loads Programm Wellenkräfte Radioss Simulationsergebnisse Optimierer (HyperStudy) Christoph Schmitz 12

13 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

14 Prozessübersicht Parametrische Optimierung (umgesetzt) Prozesssteuerung parametrisches Parametersatz (Excel) CAD-Modell (CATIA) Excel Arbeitsmappe Strukturdatei für Wave Loads Excel Makro für Tcl-Skript Property update IGES- File Altair BatchMesher Excel Makro Property Karte erstellen txt-file Nastran Inputfile Tcl-Skript Property update HM-file Wave Loads Programm HyperMesh Batchaufruf Excel Makro für RBEs Excel Makro für SPCs FE-Netz HyperMesh Property Karte Excel Makro für Wellenlasten RBE Karte SPC Karte Load Karte Radioss Simulationssetup Gesamtmodell Radioss Wellenkräfte Simulationsergebnisse Optimierer (HyperStudy) Christoph Schmitz 14

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

16 Optimierungsergebnis Ausgangsstruktur: optimierte Struktur: 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 Christoph Schmitz 16

17 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

18 RLE INTERNATIONAL Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontaktdaten: Holger Happel Lead Engineer CAE & Vehicle Safety Phone: , Mobil: RLE INTERNATIONAL GmbH Robert-Bosch Str Köln Christoph Schmitz CAE-Analyst Tel: RLE INTERNATIONAL GmbH Robert-Bosch Str Köln 18