DriveConcepts Software für die Antriebstechnik

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1 Vorlesung: Antriebssysteme Simulation dynamischer Systeme Der Lehrstuhl für Maschinenelemente an der Technischen Universität Dresden Prof. Dr.-Ing. Berthold Schlecht / Dipl.-Ing. Tobias Schulze Vorlesung - Folien TU Dresden Lehrstuhl Maschinenelemente, Prof. Dr.-Ing. Berthold Schlecht Dr.-Ing. Willi Gründer Dipl.-Ing. Tobias Schulze

2 Persönliches Dipl.-Ing. Tobias Schulze Bis 995 Technisches Gymnasium in Freital / Sachsen Studium an der Technischen Universität Dresden Fachrichtung: Allgemeiner Maschinenbau Antriebs- und Getriebetechnik Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Dresden Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Antriebssträngen bei Windenergieanlagen mit der Mehrkörpersysteme-Simulation Analysen zum Einfluss von Befestigungsbohrungen innenverzahnter Hohlräder mit der Finite-Elemente-Methode Analyse der Abhängigkeit der Beanspruchung bogenverzahnter Kegelräder von den Fertigungsabweichungen (FVA) Betreiben eines servohydraulischen Mehrachsprüfstandes für Servolenksysteme Seit 2006 Angestellter der GmbH Dresden Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 2

3 Unternehmensgruppe Unternehmensgruppe wurde 983 gegründet beschäftigt heute über 50 Mitarbeiter Standorte: Bochum, Dresden und Donezk Vertriebspartner für China, Brasilien, Italien entwickelt heute vorwiegend Informations- und Berechnungssysteme für den Maschinen- und Anlagenbau Entwicklung, Vertrieb Bochum Dresden - Berechnung, Simulation v. Antriebssträngen Vertrieb Deutschland - Softwareentwicklung - Technische Entwicklung einzelner Module für MDESIGN Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 3

4 Arbeitsbereiche SOFTWARE-ENTWICKLUNG BERECHNUNG-DIENSTLEISTUNG MDESIGN LVR MDESIGN LVR planet MDESIGN drive 2008 MDESIGN PC bolt MDESIGN spring 2008 Antriebsstrangberechnung quasistatisch dynamisch Lastverteilungsberechnung Stirnrad- Planetenradgetriebe MDESIGN explorer - Wellen - Federn - Schrauben MDESIGN Schulungen und Fachseminare BERATUNG-CONSULTANT Kegelradberechnung Antriebsstrangberechnung, -simulation u. -auslegung Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 4

5 Belastungsermittlung Die dynamischen Simulation lässt sich auf verschiedene Antriebsstränge übertragen Möglichkeit der simulierten Belastungsermittlung für Baugruppen und einzelne Maschinenelemente Dämpfungs- und Steifigkeitsoptimierung zur Verbesserung bestehender Konstruktionen Variantenuntersuchung zur Suche relevanter Einflussgrößen Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 5

6 Warum dyn. Simulation? Windenergieanlage ( kw) Kompressorantriebe (7000 kw) Mühlenantrieb (4000 kw) Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 6

7 Warum dyn. Simulation? Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 7

8 Schadenskosten Schadenskosten im PEP Kunde Simuliere so früh wie möglich! Jeder frühzeitig investierte EURO zahlt sich vielfach aus. Produktion Prototyp Idee Erste Modelle Entwicklungsphase Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 8

9 Berechnungsverfahren Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 9

10 Berechnungsverfahren Torsionsschwingermodelle ein rotatorischer Freiheitsgrad je Körper Axial erweiterte Torsionsschwingermodelle ein rotatorischer und ein translatorischer Freiheitsgrad je Körper Starre Mehrkörpersysteme (MKS) alle sechs Freiheitsgrade im Raum je Körper Flexible (elastische) Mehrkörpersysteme wie starres MKS-System und zusätzlich elastisch verformbare Körper Aussagekraft und Modellierungsaufwand steigen an. Daher grundsätzlich: Suche nach dem notwendigen Minimalmodell! Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 0

11 Berechnungsverfahren Starres MKS-Modell: Simulation von starren Körpern im Zeit und Frequenzbereich Modellierung durch Massen, Trägheiten, Federn, Dämpfern, Flexibles (elastisches) MKS-Modell: Erweiterung der Modelle durch flexibel modellierte Teilstrukturen. Dadurch genauere Abbildung durch Überlagerung von Starrkörperbewegung und Eigenschaften elastischer Körper möglich. Kombination der Möglichkeiten von MKS- und FE- Modellen Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie

12 Modellfindung Allgemeines Objekt technisches, schwingfähiges System Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 2

13 Modellfindung Reales System Modell Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 3

14 Simulationsmodell Nachfolgend ist das mechanische Simulationsmodell einer Windenergieanlage dargestellt (Flexibles MKS-Model 500 kw): Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 4

15 Simulationsmodell Zur Simulation der gesamten Windturbine wird das mechanische Modell um die aerodynamischen, elektrischen und regelungstechnischen Belange erweitert. Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 5

16 Modellfindung Baugruppen einer typische Windenergieanlage mit 500 kw Ausgangsleistung nach dänischer Bauweise Nabe Getriebegehäuse Bremse Kupplung Planetengetriebe Rotorblatt Hauptwelle Maschinenträger Generator Zahnkupplung Stirnradstufe Turm Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 6

17 Modellbildung Systemgrenzen? Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 7

18 Modellbildung Getriebe RENK 5000 kw Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 8

19 Simulationsergebnisse Mit den beschriebenen Modellen wurden umfangreiche Untersuchungen zum dynamischen Verhalten durchgeführt: Antriebsstrang Gesamtstruktur Einzelne Komponenten (entsprechende Modellierung vorausgesetzt) Die Simulation liefert Aussagen zu: Dynamischen Zusatzbelastungen für verschiedene Lastsituationen Resultierenden Bewegungsgrößen Eigenfrequenzen und ihre Schwingformen Verteilung der modalen kinetischen und potentiellen Energie Resonanzanalysen FFT-Analysen relevanter Signale Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 9

20 Simulationsergebnisse Ausgewählte Betriebszustände einer Windturbine: Hochlauf (Anfahren) Normaler Produktionsbetrieb Normaler Stopp Not-Stopp Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 20

21 Simulationsergebnisse Anwendungsbeispiel einer Lastfallrechnung Not-Stopp bei Extremböe Windgeschwindigkeit 5 m/s 25 m/s Beim Erreichen der Abschaltwindgeschwindigkeit geht Anlage vom Netz Mechan. Bremsen und Pitchen starten Anlage kommt zum Stillstand Anlage vom Netz Mech. Bremse Anlage steht Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 2

22 Simulationsergebnisse Anwendungsbeispiel einer Lastfallrechnung Not-Stopp bei Extremböe Vorteil der MKS- Modelle: Aussagen zu Verschiebungen innerhalb der Anlage sind möglich Axiale Verschiebung des Getriebes verändert sich von 0,4 mm (im Normalbetrieb) auf ca.,5 mm (während des Bremsens) Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 22

23 Simulationsergebnisse Anwendungsbeispiel einer Lastfallrechnung Not-Stopp bei Extremböe Vorteil der MKS- Modelle: Aussagen zu Verschiebungen innerhalb des Getriebe sind möglich Teilweise nur schwer oder nur mit hohen Kosten messbar Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 23

24 Simulationsergebnisse Anwendungsbeispiel einer Lastfallrechnung Not-Stopp bei Extremböe Vorteil der flexiblen MKS-Modelle: Aussagen zu Verformungen einzelner Komponenten sind möglich z.b. Biegelinie der mittelschnellen Welle Durchbiegung steigt um ca. Faktor 2,7 Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 24

25 Simulationsergebnisse Anwendungsbeispiel einer Lastfallrechnung Not-Stopp bei Extremböe Vorteil der flexiblen MKS-Modelle: Aussagen zu Verformungen einzelner Komponenten sind möglich z.b. Biegelinie der mittelschnellen Welle Durchbiegung steigt um ca. Faktor 2,7 Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 25

26 Simulationsergebnisse Neben den transienten Ergebnissen liefern die Modelle folgende Aussagen im Frequenzbereich: Eigenfrequenzen und ihre Schwingformen Verteilung der modalen kinetischen und potentiellen Energie Resonanzanalysen FFT-Analysen relevanter Signale Die genaue Kenntnis der dynamischen Eigenschaften ist von entscheidender Bedeutung bei der Suche nach potenziellen Resonanzstellen und bei der Definition von ungünstigen Betriebsbereichen. Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 26

27 Simulationsergebnisse Eigenfrequenzen für eine 600 kw Windturbine mit 3stufigem Stirnradgetriebe in 4 Modelltiefen Eine Vielzahl der für den Antriebsstrang relevanten Eigenfrequenzen sind nur mit der MKS- Methode oder durch Messungen ermittelbar! Entscheidend für Analyse im Campbell- Diagramm. Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 27

28 Simulationsergebnisse Resonanzanalyse für eine 600 kw Windturbine mit 3stufigem Stirnradgetriebe in 3 Modelltiefen Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 28

29 Simulationsergebnisse Grundformen der Schwingformen für das Rotorblatt (3 Blätter). Analogien zur Planetengetriebestufe (3 Planetenräder) sind zulässig. Diese Grundformen existieren für jede Ordnung Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 29

30 Simulationsergebnisse Verifikation der Simulation durch Messung Es ist unerlässlich die aufgestellten Modelle anhand geeigneter Verfahren mit der Realität zu vergleichen. FFT Sek. FFT Sek. Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 30

31 Modellaussagen: Schwingformen Schwingformen Windenergieanlage Klasse: 500 kw (A) Bending Of The Mainframe At The Mainbearing [0.22 Hz] (B) First Torsional Natural Frequency In The Mainshaft [7.56 Hz] (C) Rotating Of The GearBox With Vertical Displacements At The Coupling [53.33 Hz] Schwingformen des Antriebsstranges Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 3

32 Modellaussagen: Schwingformen Schwingformen 2 Windenergieanlage Klasse: 500 kw (D) Bending 2. Natural Mode Of The Rotor [0.22 Hz] (E) Bending Natural Mode Of The Rotor And The Tower [3.9 Hz] Schwingformen der Struktur Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 32

33 Modellaussagen: Schwingformen Schwingformen 3 Windenergieanlage Klasse: 500 kw (F) Bending IMS Shaft [4.0 Hz] (G) Bending Sunwheel Shaft With Bad Load Conditions In The Planetary Gear [58.88 Hz] (H) Bending Sunwheel Shaft With Bad Load Conditions In The Planetary Gear [ Hz] Biegeschwingformen im Getriebe Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 33

34 Modellaussagen: Schwingformen Schwingformen 5 Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 34

35 Modellaussagen: Resonanz Campbell-Diagramm Campbell-Diagramm: benannt nach Dr. Joseph Campbell, welcher auf dem Gebiet der Rotordynamik bei General Electric in New York arbeitete und die Darstellung zur Veranschaulichung von Turbinenblattresonanzen beim Hochlauf nutzte. Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 35

36 Simulationsergebnisse Verifikation der Simulation durch Messung Es ist unerlässlich die aufgestellten Modelle anhand geeigneter Verfahren mit der Realität zu vergleichen. Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 36

37 Simulationsergebnisse Verifikation der Simulation durch Messung Es ist unerlässlich die aufgestellten Modelle anhand geeigneter Verfahren mit der Realität zu vergleichen. Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 37

38 Modellbildung Grundlagen F F F 0 Element x, x,... F F F F Element Knoten Element Definition von Potential- und Flussgrößen für jede physikalische Domäne Definition von Erhaltungsgleichungen (z.b. F = 0) im Knoten (Verbindung) Zusammenhänge zwischen Fluss- und Potentialgrößen in den Elementen (z.b. F = c*x) Quelle: ITI GmbH Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 38

39 Modellbildung Grundlagen Quellen Grundelemente Elemente in verschiedenen physikalischen Domänen Mechanik (transl.) Mechanik (rot.) Flussgröße Verbraucher Spannung U Strom I Kondensator Spule Widerstand Differenzgröße Flussgrößenspeicher Differenzgrößenspeicher Elektrotechnik Geschwindigkeit v I C U I L U dt U I R Kraft F Masse Feder Dämpfer F m v F c v dt F d v Drehzahl Drehmoment T Trägheit Drehfeder Dämpfer T J T c dt T d Hydraulik Druck p Volumenstrom Q Volumen Q V p Verlustfreies Rohr Q L H p dt Ventil, Blende p Q R H Quelle: ITI GmbH Thermik Temperatur T Wärmestrom P Wärmekapazität P C T - Wärmeleitung R P T th Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 39

40 Modellbildung Welle Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 40

41 Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 4 Für das beschriebene System ergeben sich die nachstehenden beiden Bewegungsgleichungen für den Fall des freien ungedämpften 2-Massen-Schwingers: Die beiden Gleichungen in Matrizenschreibweise lauten: Mit der Ansatzfunktion ergibt sich die folgende Differentialgleichung: Die nichttriviale Lösung ergibt sich durch Nullsetzen der Determinante des Ausdruckes innerhalb der runden Klammer: Modellbildung Welle 0 ( ) 2 c J 0 ( ) c J c c c c J J 0 ˆ ˆ c c c c J J det c c c c J J

42 Modellbildung Welle Durch Auflösen der vorigen Gleichung erhält man ein biquadratisches Polynom, dessen Nullstellen die Eigenfrequenzen repräsentieren: 4 2 J c J J J 2 2 c 0 Damit ergeben sich die zwei, konjugiert komplexen Eigenfrequenzen des Systems:,2 0 und 3,4 J c J J J 2 2 c Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 42

43 Modellbildung Welle Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 43

44 Modellbildung Welle Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 44

45 Modellbildung Welle Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 45

46 Modellbildung Verzahnung Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 46

47 Modellbildung Verzahnung Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 47

48 Modellbildung Verzahnung Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 48

49 Modellbildung Verzahnung Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 49

50 Modellbildung Verzahnung Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 50

51 Modellbildung Modellstruktur Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 5

52 Praktika, Werksstudent? Die Firma GmbH in Dresden sucht hoch motivierte Studenten für interessante Aufgaben im Bereich Berechnung, Entwicklung und Dienstleistung im Bereich Antriebstechnik Praktika, Interdisziplinäre Projektarbeit (Kleiner Beleg), Großer Beleg, Diplomarbeit oder Werkstudententätigkeit. Webseite Support Download Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 52

53 Vielen Dank für Ihr Interesse Dipl.-Ing. Tobias Schulze Simulation dynamischer Systeme Folie 53