Rückenwind durch Automatisierung
Bei Nordex dreht sich alles um Effizienz: Denn unter den Prämissen Qualität und Nachhaltigkeit sind bei Windkraftanlagen die günstige Stromerzeugungskosten, ein hoher Wirkungsgrad und lange Laufzeiten erfolgsentscheidend. Eine wichtige Rolle kommt dabei den Rotorblättern zu, die Nordex mit Simulationswerkzeugen von Ansys optimiert.
Bei Nordex wird zur Entwicklung und Zertifizierung von Rotorblättern seit mehr als 15 Jahren mit Ansys simuliert. Die Analytik wird so um detaillierte, auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) ermittelte Strukturberechnungen erweitert. Denn um die erforderlichen Zertifizierungen zu erhalten, müssen die Rotorblätter - wie auch alle anderen Komponenten einer Windkraftanlage - nachweislich entsprechend der statischen Lasten und der Betriebslasten ausgelegt werden.
Für den strukturellen Entwurf der Rotorblätter sind bei Nordex verschiedene Ansys-Module im Einsatz: Neben Ansys Composite PrepPost (ACP) und Ansys Material Designer kommt insbesondere Ansys Mechanical zum Einsatz – unter anderem für die statische und transiente Mechanik und Modal- und Beulanalysen. Da Nordex auch sehr spezifische Anforderungen außerhalb des Standardumfangs der Software hat, werden von den Anwendern die dafür notwendigen Funktionalitäten über das Ansys Application Customization Toolkit (ACT) erzeugt.
Über Nordex
Seit über 35 Jahre sieht die Nordex Group ihre Kernkompetenz in der Entwicklung, Herstellung und Wartung von Windenergieanlagen im Onshore-Bereich. Das in Dänemark gegründete Unternehmen beschäftigt heute weltweit mehr als 9.000 Mitarbeitende und erwirtschaftete 2021 einen Umsatz von über 5,4 Milliarden Euro. Gleichzeitig wurde eine Neukapazität von rund 6,7 MW installiert.
Als einer der weltweit größten Hersteller von Windturbinen berücksichtigt die Nordex Group bereits beim Design der Anlagen, aber auch bei Konstruktion, Installation, Service sowie Recycling und Verwertung ökologische Aspekte wie Materialauswahl und Recyclingfähigkeit.
Statische Nachweise automatisieren
Außer zur Ergänzung individueller Funktionen wird ACT auch zur Automatisierung von Simulationsworkflows herangezogen. Damit kann die Effizienz bei der Beantwortung von ähnlichen, sich häufig wiederholenden Auslegungsfragen gesteigert werden, gerade wenn sie komplex, zeitaufwändig und fehleranfällig sind. Großes Potenzial für eine Automatisierungslösung haben die Nordex-Verantwortlichen beim statischen Nachweis von Rotorblättern ausgemacht.
Ziel der individuellen Ansys-Erweiterung bei Nordex war neben dem Effizienzsprung eine Erhöhung der Benutzerfreundlichkeit und eine Steigerung der Transparenz der Berechnungen: Indem die Ergebnisse noch besser nachvollziehbar sind, kann daraus zusätzliches Optimierungspotenzial abgeleitet werden.
Planung, Konzept und Umsetzung der automatisierten Simulation von Rotorblättern über ACT erfolgten in Kooperation mit CADFEM, dem langjährigen Partner von Nordex in allen Fragen rund um Ansys und Simulation. Gerade auch für die Automatisierung von Workflows in Ansys hat CADFEM ein erfahrenes Team, das in enger Zusammenarbeit mit Kunden maßgeschneiderte Lösungen entwickelt.
Gemeinsames Projektteam liefert gewünschte Lösung
Die CADFEM-Spezialisten für Simulationsautomatisierung und die Nordex-Experten für die Rotorblattentwicklung realisierten die angestrebte Lösung innerhalb eines halben Jahres.
Wesentliche Faktoren für die fristgerechte und passgenaue Umsetzung waren:
- die im Detail spezifizierten Anforderungen durch den Auftraggeber
- die regelmäßige und offene Abstimmung zu Projektfortschritt und Teilergebnissen
- die parallele Analyse der von Nordex angewandten Methoden, um diese gegebenenfalls noch zur Laufzeit des Projektes zu optimieren, beispielsweise beim Thema "Follower Loads und große Verformungen".
Mehrfach 10% Zeiteinsparung. Und was die Automatisierung außerdem leistet
Der Nutzen der Automatisierung lässt sich am Beispiel der präzisen Aufbringung von Lasten auf Schnitten entlang der Rotorblatt-Längsachse darstellen. Damit werden 10% der üblichen Zeit eingespart, es geht um mehrere Stunden – pro Durchgang, denn aufgrund von Last-Updates wiederholt sich die Aufgabe. Es ist ein Prozessschritt, der eine große Bedeutung für die exakte Berechnung von Rotorblättern hat. Bisher ist er weitgehend manuell erfolgt, so dass er nicht nur herausfordernd, sondern auch sehr zeitintensiv war.
Mit der neuen Lösung werden die Punkte zur Lastaufbringung jetzt automatisiert appliziert. Dazu ermittelt die ACT-Erweiterung über die Rotorblattschnitte die Massen und Momente im Dialog mit dem Anwender in tabellarischer Form und gibt sie in Diagrammform aus. Um dies zu erreichen, wurde die Benutzeroberfläche von Ansys Mechanical so erweitert, dass sowohl die Lastaufbringung als auch die Verifikation des resultierenden Gesamtmomentes übersichtlich und prozesssicher im Ansys-Strukturbaum eingebunden sind.
Ein zusätzliches Ziel des Projektes war die Verringerung der Anzahl der bei Nordex intern genutzten Software-Tools. Auch das wurde mit der Automatisierung erreicht.
Last but not least: Als Ergebnis der im Rahmen des Projektes erwähnten Methodenanalysen wurde der bisherige Workflow in der Automatisierung um weitere nützliche Features ergänzt: Ein Beispiel sind die Streckenmasse und Reaktionsmomente bzw. -kräfte, die bei der Analyse der Soll-Ist-Abweichungen einbezogen werden.
„Wir sind überzeugt, dass eine erhöhte Benutzerfreundlichkeit bei der Lastapplikation auf das Simulationsmodell zu einer reduzierten Fehleranfälligkeit führt. Zudem lässt sich durch Darstellung der Lastvektoren im Nachhinein optisch genau überprüfen, mit welcher Lastrichtung und welchen äußeren Belastungen jeder Lastfall simuliert wurde. Diese erhöht die Transparenz, da die Korrektheit der Ergebnisse einfacher bestätigt werden kann,“ fasst Andreas Nickel, Senior Engineer Rotor Blade Design bei Nordex, die Vorteile der Automatisierungslösung zusammen.
Und es geht weiter. Geplant sind noch einige Anpassungen an die vorhandenen Workflows und kleinere Weiterentwicklungen der ACT-Lösung. Außerdem wurden schon weitere Aufgabenbereiche ins Auge gefasst, die sich für eine Automatisierung eignen. Diese Projekte sollen, den beim abgeschlossenen Projekt erfolgten Know-how-Transfer nutzend, intern gestemmt werden – wohl wissend, dass Nordex im Bedarfsfall weiterhin auf die fachkundige Unterstützung von CADFEM zurückgreifen kann.
Nordex, Ansys und CADFEM
Schon seit 2008 setzt Nordex bei der Entwicklung seiner Windkraftanlagen Ansys-Simulationswerkzeuge ein. Seitdem begleitet auch das CADFEM Team in Hannover die Ingenieure von Nordex: Die Zusammenarbeit reicht von der Beratung rund um Software- und Hardware-Lösungen über die Qualifizierung der Anwendenden und den Hotline-Support im Tagesgeschäft bis hin zur Abwicklung von Projekten wie die hier geschilderte gemeinsame Entwicklung der Automatisierungslösung.
