FE-DESIGN GmbH - Anwendungsbeispiel

Topologieoptimierung für Windkraftnaben unter steigenden Belastungen

Aufgabenstellung des Kunden

Konzeptionelle Designänderungen der vorliegenden Nabe sind notwendig aufgrund signifikanter Zuwächse sowohl der Standardbetriebslasten als auch der Größenordnung der Extremlasten, z.B. für Off-shore Anwendungen und längere Flügel. In den letzten 20 Jahren stieg die Größe der Windkraftanlagen um den Faktor 10, während die Kapazität um den Faktor 1000 wuchs. Das vorliegende Beispiel zeigt, wie ein Designer effizient den wachsenden externen Belastungsanforderungen begegnen und gleichzeitig eine Gewichtsreduktion und Steifigkeitserhöhung der Nabe erzielen kann.

Unsere Lösung: Topologieoptimierung mit TOSCA Structure.topology

Topologieoptimierung wird zur eingesetzt, um ein neues optimiertes Strukturdesign mit geringerem Gewicht und höherer Steifigkeit zu erlangen. Im Topologieoptimierungsprozess entfernt und verteilt TOSCA Structure.topology iterativ Material eines initialen Designraums. Hierdurch erzielt TOSCA Structure.topology ein neues Strukturdesign, das die Lasten optimal trägt. Symmetrie- und Gießbarkeitsanforderungen werden während der automatisierten Optimierungsiterationen berücksichtigt, was eine einfache Implementierung des neuen Designvorschlags in den weiteren Entwicklungsprozess gewährleistet. Darüber hinaus wird eine Formoptimierung mit TOSCA Structure.shape nach der Evaluierung des neuen topologieoptimierten Designs durchgeführt. TOSCA Structure.shape bewirkt kleine, aber wesentliche konstruktive Änderungen an der Oberfläche der Bauteile, die zu einer erheblichen Spannungsreduktion der Hotspots führen.

Erfolg für den Kunden

Strukturoptimierung erlaubt eine Beschleunigung des gesamten Entwicklungsprozesses insbesondere auch für den initialen Designprozess der Nabe. Durch Topologieoptimierung ergibt sich ein Zuwachs in der Gesamtsteifigkeit der Komponente bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion der Nabe. Mehrere zusätzliche Kosteneinsparungen wie Materialeinsparungen, leichterer Transport und einfacherer Montageprozess werden dank des sehr guten ersten Ausgangsdesigns der Nabe erzielt. Ergänzende Spannungsreduktion in den Hotspots verbessert die Lebensdauer der Komponente. Somit führ der komplette TOSCA Designprozess zu einem herstellbaren Design, das sicherstellt, dass der 1. Prototyp allen Verifikationen stand hält.