Strukturberegninger på transport-, installations- og driftslaster for vindmøllekomponenter

Komponenter og strukturer til vindmøller bliver udsat for mange forskellige belastninger - lige fra strukturen forlader produktionshallen og transporteres til det site, hvor den skal være med til at holde vindmøllen i drift de næste 20-25 år. Kirkholm har igennem mange år arbejdet med strukturelle simuleringer på disse komponenter for at dokumentere styrken i henhold til gældende standarder. Kirkholm anvender i langt de fleste tilfælde ANSYS Finite Element som simuleringsværktøj.

Modellernes størrelse varierer meget fra større strukturelle enheder til mindre komponenter. De indeholder dermed deres specifikke kompleksiteter, når de skal analyseres.

Forskellige lastscenarier på komponenterne betyder, at der vil være områder og detaljer, der bliver udfordret. Derfor kræver det ofte en række designiterationer for at sikre, at hver eneste samling er stærk nok, og at den totale struktur har den ønskede stivhed og styrke.

For at bryde det store arbejde ned vil vi kigge på nogle eksempler på lastsituationer, som ofte er aktuelle:

Transporttilfælde:

• Løft af komponenten fra A til B med en gaffeltruck eller en kran: Her vil styrken af løfteøjer og den omkringliggende struktur være i fokus. Men den overordnede struktur skal også kunne optage kræfterne fra løftepunkterne, så der eksempelvis ikke opstår foldning i strukturen.
• Transport af komponenten på tog, lastbil eller skib: Her udføres transportanalyser, hvor strukturen påsættes accelerationer og chokpåvirkninger for at simulere de enkelte transportformer. Surring af komponenterne på transportmidlet er en vigtig del af denne analyse. Surringselementer såsom kæder, der kun kan optage trækkræfter, kan simuleres i Finite Element programmet ANSYS.
• Hvis en struktur skal transporteres liggende i forhold til den normale driftsposition, giver det ofte en række strukturelle udfordringer, hvor strukturen også skal dimensioneres til dette scenarie.

Installationstilfælde:

• Når de enkelte komponenter ankommer til sitet og skal installeres i vindmøllen, sker dette i hovedreglen via forskellige typer af boltsamlinger.
• Kirkholm arbejder ofte med beregninger af disse samlinger, da mange af dem ofte er stærkt udmattelsespåvirkede. Simulering og beregning af boltsamlinger kræver, at man definerer de faktiske forhold så præcist som muligt, så de forspændte bolte, underlaget og friktionsforhold er nøje beskrevet.
• Afhængig af den ønskede detaljeringsgrad bliver boltene simuleret som solide modeller eller som bjælke-elementer. Ulineære kontakter bliver ofte en del af den nødvendige simuleringsmodel med mange timers simulering i ANSYS til følge.

Driftstilfælde:

• Mange vindmøllekomponenter består af både svejsede og boltede samlinger, som er udsat for udmattelsesbelastninger under drift.
• For at sikre at de svejsede samlinger optræder med den rigtige stivhed i konstruktionen medtages svejsningens geometri ofte i modellen. Dette er med til at give et detaljeret billede af spændingsfordeling og koncentration af spændinger. Disse detaljerede analyser er med til at sikre, at svejsningerne kan modstå både statiske og dynamiske påvirkninger i mange år.
• Eurocode 3 anvendes ofte som udgangspunkt for evaluering af simuleringerne for at dimensionere både boltede og svejsede samlinger efter gældende standarder, så beregningsverifikationen kan godkendes af tredje part. Dette kunne eksempelvis være DNV-GL, der skal certificere dokumentationen efterfølgende, hvilket selvfølgelig stiller specifikke krav til beregningsdokumentationens kvalitet.
• Vindmøller befinder sig i et dynamisk miljø med mange vibrationer, som vindmøllens komponenter skal kunne optage uden at revne. Egenfrekvensanalyser spiller derfor en stor rolle i designet, da både vægt og stivhed skal være korrekt afstemt. Egenfrekvensspektret for en struktur kan beregnes ved hjælp af Finite Element analyser. På den måde kan man undgå, at egenfrekvenser i strukturen falder sammen med vindmøllens driftsfrekvenser og derved undgå uheldige resonansfænomener.

Det er vigtigt, at der i disse projekter er et tæt samarbejde mellem de ingeniører, der konstruerer, og dem, der arbejder med at udføre de strukturelle beregninger for at sikre, at design- og beregningsiterationerne forløber hurtigt og effektivt.

Selvom man ofte kan tage udgangspunkt i et eksisterende design og dermed har et godt udgangspunkt, vil det være svært at indtænke alle ovenstående lasttilfælde tidligt i projektet. Dermed er iterationer på design af konstruktionen en del af processen. Antallet af iterationer afhænger af, til hvilket niveau man ønsker at optimere ens design, som ofte er styret af den fastlagte kravspecifikation på strukturen.

Kommunikationen af de fleste konstruktionsdetaljer sker fortsat via 2D tegninger. Det er derfor vigtigt, at alle væsentlige detaljer, der er fastlagt af de strukturelle beregninger, er noteret korrekt på 2D tegningerne.

Derfor er det af stor værdi, at der er en god kommunikation mellem alle parter, og at der er udført grundig kvalitetssikring på tegningerne, inden de kommer i produktion. I prototypefasen vil der ofte være behov for tilpasninger af konstruktionsdetaljer, hvilket kan kræve tilpasning af beregninger, design og 2D tegninger.

Det er en fornøjelse for Kirkholm at være en del af disse projekter, og der er altid mulighed for at optimere yderligere. Vi ser frem til de næste store strukturelle projekter og holder gerne nogle indledende møder for at dele vores erfaringer, så der er mulighed for at komme godt i gang.