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Expertise- und simulationsbasierte, mehrstufige Tragwerksoptimierung im Entwurf von Windenergieanlagen
Köpke, Bodo Harold
Berlin (Deutschland)
Selbstverlag
2020, 209 S., Abb., Tab., Lit.

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[Quelle: http://d-nb.info]
In der Arbeit werden zwei Ziele verfolgt: Erstens die Entwicklung eines Verfahrens zur integrierten Kombination von Topologie-, Form- und Dimensionsoptimierung auf Grundlage des synergetischen Einsatzes von Expertenwissen und Simulationen; und darauf aufbauend zweitens die Integration des entwickelten Verfahrens in den Entwurfsprozess eines neuartigen Tragwerks für Windenergieanlagen (WEA). Ausgangspunkt und innere Stufe des mehrstufigen Verfahrens ist die klassische Tragwerksbemessung des Bauingenieurwesens, bei der die Querschnittsabmessungen als Designvariablen behandelt werden. Durch Expertenwissen und den Informationsrückfluss aus späteren Entwurfs- und Realisierungsphasen gelingt die algorithmische Definition von Lebenszykluskosten. Das physikalische Verhalten der untersuchten Tragwerke wird über flexible, parametrisierte und segmentierte Strukturmodelle abgebildet. Damit werden zwei maßgebliche Anforderungen zur Erzeugung praxisrelevanter Ergebnisse erfüllt. Topologie- und Formoptimierung werden als äußere Stufe der Optimierung definiert und mittels algorithmisch iterativer Kopplung mit der Dimensionsoptimierung kombiniert. Zur Lösung der äußeren Stufe kommt das Antwortflächenverfahren zum Einsatz, was parallelisierte Berechnungen ermöglicht. Die Einhaltung von globalen Restriktionen (Eigenfrequenzsperrbereiche von WEA) hat maßgeblichen Anteil am Berechnungsaufwand. Zur Reduktion der Rechenzeit wird ein auf dem Optimalitätskriterium der Spannungshomogenisierung aufbauendes Verfahren entwickelt. Die Trennung von lokalen und globalen Restriktionen und die Lösung der globalen Restriktionen mittels Optimalitätskriteriums, ermöglichen die Lösung des komplexen Optimierungsproblems in der vorliegenden Form. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Verfahrens wird am Beispiel der Sockelgründung für Onshore-WEA gezeigt. Sie äußert sich in der klaren Verbesserung der entworfenen WEA im Vergleich mit bestehenden Tragwerken hinsichtlich der Massen und der Lebenszykluskosten. Weiterhin erlaubt die vorgestellte Umsetzung durch ihre segmentierte, frei erweiterbare Struktur die passgenaue Abbildung der Problemstellungen in verschiedenen Entwurfsphasen. Dies ermöglicht eine schnelle Steigerung des Informationsniveaus – dem roten Faden des Entwurfsprozesses – und damit eine effiziente Lösung der technischen Fragestellung.
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