{"id":1035,"date":"2021-07-19T13:44:00","date_gmt":"2021-07-19T13:44:00","guid":{"rendered":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/?p=1035"},"modified":"2022-04-27T08:09:24","modified_gmt":"2022-04-27T08:09:24","slug":"virtuelles-testen-von-rotorblattlagern-beat6-1","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/virtuelles-testen-von-rotorblattlagern-beat6-1\/matthis-grassmann","title":{"rendered":"Virtuelles Testen von Rotorblattlagern \u2013 BEAT6.1"},"content":{"rendered":"\n

F\u00fcr die Auslegung von Gro\u00dfw\u00e4lzlagern, wie z.B. Rotorblattlager, ist die Verformung unter Last sowie die Lastverteilung im Inneren des Lagers von gro\u00dfer Bedeutung. Um diese Last- und auch Spannungsverteilung im Lager bestimmen zu k\u00f6nnen, sind FE-Modelle essenziell. In der Literatur werden verschiedene Ans\u00e4tze zur Modellierung von W\u00e4lzlagern beschrieben: Bei einigen werden die W\u00e4lzk\u00f6rper mit dreidimensionalen Elementen ausmodelliert, bei anderen werden diese durch Federelemente ersetzt. Alle diese Methoden haben eine gemeinsame Herausforderung: Die Validierung dieser Modelle.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Seit der Fertigstellung des Large Bearing Laboratory (LBL) in Hamburg, hat das IWES an diesem Standort im Rahmen verschiedener gef\u00f6rderter Projekte (HAPT, HBDV; iBAC) <\/a>eine einmalige Pr\u00fcfinfrastruktur zum Testen von W\u00e4lzlagern aufgebaut. <\/a>Mit bald sechs Pr\u00fcfst\u00e4nden k\u00f6nnen wir Lager in jeglichen Dimensionen auf Versagensmechanismen testen. Die Tests reichen von skalierten Grundlagentests bis hin zu beschleunigten Dauertests von Rotorblattlagern im Realma\u00dfstab. Besonders f\u00fcr das realit\u00e4tsnahe Testen von ma\u00dfstabsgetreuen Blattlagern auf unserem Pr\u00fcfstand BEAT6.1<\/a> ist eine realistische Steifigkeit der Adapter von gro\u00dfer Bedeutung. Die Auslegung dieser Adapterbauteile ist der erste Schritt hin zum Testen von Gro\u00dfw\u00e4lzlagern und wird mithilfe von FE-Simulationen durchgef\u00fchrt. Hierf\u00fcr wurden FE-Modelle sowohl vom Lager als auch vom gesamten Pr\u00fcfstand aufgebaut, um die Last- und Spannungsverteilungen im Lager und den Adapterbauteilen untersuchen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Besonders f\u00fcr Gro\u00dfw\u00e4lzlager mit einem Durchmesser zwischen einem und sechs Metern sind bisher bei weitem nicht gen\u00fcgend experimentelle Daten f\u00fcr eine m\u00f6gliche Validierung ver\u00f6ffentlicht. Bei zunehmenden Lagerdimensionen werden die Durchmesser \u00fcberproportional gr\u00f6\u00dfer als die Ringquerschnitte, sodass Lager mit unterschiedlichen Gr\u00f6\u00dfen verschiedene strukturelle Steifigkeiten aufweisen. Dieses Ph\u00e4nomen erschwert eine Validierung im kleinen Ma\u00dfstab und der anschlie\u00dfenden \u00dcbertragung der Modellierungsmethode auf gr\u00f6\u00dfere Lager. Um unsere FE-Lagermodelle dennoch validieren zu k\u00f6nnen, haben wir unseren Pr\u00fcfstand BEAT6.1 virtuell als FE-Modell nachgebaut. Dabei ist besonders die realit\u00e4tsnahe Ber\u00fccksichtigung der strukturellen Eigenschaften, sowie der charakteristische modulare Aufbau des Pr\u00fcfstandes wichtig: Aus diesem Grund wurde jede Komponente unabh\u00e4ngig voneinander erstellt und anschlie\u00dfend zu einem Gesamtmodell zusammengef\u00fcgt. Das Verbinden dieser Komponenten erfolgt im Modell durch das Modellieren von Bolzen: Jeder Bolzen wird durch ein eigenes Balkenelement ber\u00fccksichtigt und \u00fcber Zwangsgleichungen mit Knoten der umliegenden Struktur verbunden. Zus\u00e4tzlich kann den Kontaktfl\u00e4chen zwischen den Komponenten ein entsprechender Reibkoeffizient zugeordnet werden. F\u00fcr die Lasteinleitung werden die Hydraulikzylinder mit linearen Aktuatoren modelliert. Anschlie\u00dfend k\u00f6nnen die tats\u00e4chlich am Pr\u00fcfstand wirkenden Kr\u00e4fte unserer Datenbank entnommen und den Aktuatoren als Inputparameter zugeordnet werden.<\/p>\n\n\n\n

\"FE-Pr\u00fcfstandmodell
Abbildung 1: FE-Pr\u00fcfstandmodell des BEAT6.1 \u00a9 Fraunhofer IWES\/Matthis Gra\u00dfmann<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Simulation des Pr\u00fcfstandes erfolgt in zwei Lastschritten: Im ersten Lastschritt wird die Erdbeschleunigung aufgepr\u00e4gt und die Bolzen auf ihre erforderliche Vorspannkraft \u201eangezogen\u201c. Anschlie\u00dfend wird den modellierten Zylindern ihre jeweilige Kraft in einem zweiten Lastschritt vorgegeben. Dies erm\u00f6glicht es, den virtuellen Pr\u00fcfstand in einen statischen Beanspruchungszustand zu bringen, der identisch mit dem des tats\u00e4chlichen Pr\u00fcfstands ist. F\u00fcr den Abgleich des Modells mit der Realit\u00e4t und somit der Validierung des Lagerverhaltens werden unterschiedliche Messdaten verwendet. Zum einen kann der Hub der Hydraulikzylinder mit der verformten Position im Modell abgeglichen werden, um das generelle Verhalten des Pr\u00fcfstandmodells zu untersuchen. Zum anderen werden sowohl am realen Lager als auch am Lagermodell Dehnmesstreifen (DMS) angebracht. Mit dem Abgleich der DMS kann anschlie\u00dfend das Verformungsverhalten der Lager verglichen werden. Zus\u00e4tzlich werden Lasersensoren angebracht, die an definierten Stellen die Ringverkippung der Testlager bestimmen und mit den Verformungen einzelner Knoten aus dem Modell abgeglichen werden. Somit kann \u00fcber den Hub der Zylinder der Einfluss des Lagers auf die Verformung des Gesamtmodells untersucht und \u00fcber die Verkippung der Lagerringe das Lagermodell selbst validiert werden. Diagramm 1 zeigt exemplarisch den Abgleich der DMS f\u00fcr einen experimentellen Test mit den entsprechenden Daten aus der Simulation. Hier wurden insgesamt 12 DMS in 30 Grad Schritten \u00fcber den Umfang verteilt am Lagerinnenring angebracht. Deutlich zu erkennen ist, dass der qualitative Verlauf beider Kurven sehr \u00e4hnlich verl\u00e4uft.<\/p>\n\n\n\n

\"Diagramm:
Diagramm 1: Vergleich der experimentellen und simulativen Werte der DMS am Lagerinnenring \u00a9 Fraunhofer IWES\/Matthis Gra\u00dfmann<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die erfolgreiche Validierung dieses FE-Pr\u00fcfstandmodells bietet erhebliche Vorteile: Zum einen k\u00f6nnen die Adapterbauteile zuverl\u00e4ssiger ausgelegt werden, sodass eine realistische Beanspruchung des Blattlagers bei einem beschleunigten Dauerlauf gew\u00e4hrleistet werden kann. Zum anderen bieten die w\u00e4hrend des Tests aufgezeichneten Daten eine einzigartige M\u00f6glichkeit zur Validierung der FE-Lagermodelle.<\/p>\n\n\n\n

Die Weiterentwicklung des virtuellen Pr\u00fcfstands am IWES l\u00e4sst sich in zwei Zeithorizonte unterteilen: Kurzfristig wird das Pr\u00fcfstandmodell die Weiterentwicklung und Validierung der Modellierungsmethoden von Gro\u00dfw\u00e4lzlagern erm\u00f6glichen. Mittel- bis langfristig soll neben der Abbildung der Testumgebung und einer numerischen Testauslegung, auch das Lager virtuell dahingehend gepr\u00fcft werden k\u00f6nnen, dass eine zuverl\u00e4ssige Lebensdauerberechnung<\/a> m\u00f6glich ist.<\/p>\n\n\n\n

Mehr Informationen hier: <\/strong><\/p>\n\n\n\n

Gro\u00dflager (fraunhofer.de)<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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