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\section{Einleitung}\label{sec:Einleitung}
Hintergrund der Masterthesis ist das an der HAW Hamburg durchgeführte Forschungsprojekt \glqq WindNumSim\grqq\ zur Entwicklung und Anwendung eines neuartigen Simulationsmodells zur strukturellen und akustischen Optimierung einer Windenergieanlage mit Hilfe
von Fluid"=Struktur"=Interaktionen.

Ziel dieser Masterthesis ist die Erstellung eines 3D"=Strukturmodells einer Windenergieanlage (5MW NREL-Anlage), welches die Komponenten Rotorblatt, Turm, Spinner und Gondel beinhaltet sowie anschließender 3D FEM-Berechnung für ausgewählte Lastfälle. 
Die Bearbeitung umfasst die folgenden Punkte:
\begin{itemize}
\item Erweiterung eines bestehenden parametrisierten Flächenmodells der Windenergieanlage mit CATIA\,V5
\item Erstellung eines 3D-Strukturmodells der Windenergieanlage mit vollständigem
Laminataufbau der Rotorblätter in ANSYS Workbench
\item Vernetzung der Struktur mit Schalenelementen
\item Validierung des 3D-Strukturmodells anhand gegebener Literaturangaben
\item Durchführung verschiedener strukturmechanischer Analysen (z.B. Modalanalyse,
dynamische Analyse, statische Belastung durch das Windfeld o.ä.)
\end{itemize}
Die FEM-Berechnung wird mit dem Programm ANSYS durchgeführt.

\subsection{Forschungsprojekt}
Das Forschungsprojekt an der \emph{Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg} zur \ac{WindNumSim}\footnote{WindNumSim, URL: \url{http://www.mp.haw-hamburg.de/pers/Graetsch/WindNumSim_main.htm}} ist ein vom \emph{Bundesministerium für Bildung und Forschung} im Rahmen der Förderlinie \glqq IngenieurNachwuchs\grqq\ 2012 im Programm \glqq Forschung an Fachhochschulen\grqq\ gefördertes Projekt. Projektpartner sind unter anderem die \emph{Helmut Schmidt Universität Hamburg} sowie die Firmen Senvion SE\footnote{Senvion SE ehemals bekannt als REpower Systems SE, URL: \url{http://senvion.com/de/}} und FE"=Design\footnote{FE-Design ein von Dassault Systèmes übernommenes Unternehmen, URL \url{http://www.fe-design.de}}.

Untersucht werden hierzu Simulationsmodelle mit \ac{FSI}, die eine Kopplung der Windstömung und der Windenergieanlage schafft. Daraus werden Ergebnisse für die Rotorblätter erwartet, die eine Strukturoptimierung der Rotorblätter ermöglicht. Dabei liegt der Fokus der Strukturoptimierung insbesondere auf die Reduktion der Rotorblattmasse mit dem der Antriebsstrang entlastet wird, der wiederum eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage zur Folge hat. Weitere Ziele sind die optimale Blattwinkeleinstellung während des Turmdurchgangs und die Verbesserung der akustischen Eigenschaften der Anlage. Die letztgenannte Verbesserung soll den Schalldruckpegel während des Turmdurchgangs reduzieren und damit, neben der Reduzierung von Verlustenergien auch, eine Akzeptanzsteigerung der Umwelt zur Folge haben.

\subsection{Windenergieanlage}
Bei der \ac{WEA} handelt es sich um eine von \emph{\ac{NREL}}\footnote{National Renewable Energy Laboratory NREL, URL: \url{http://www.nrel.gov/}} zusammengestellte küstenabgewandte Ausgangs"=\ac{WEA},
welche im Forschungsbericht \emph{Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development} \cite{NREL09} dokumentiert ist.
Das \ac{NREL} verwendet als Grundlage die öffentlich zugänglichen Informationen der Muster-\ac{WEA} von \emph{Multibrid~M5000} und \emph{REpower~5M}.   
Aufgrund unzureichend öffentlichen Informationen der Muster-\ac{WEA}, verwendet das \ac{NREL} zusätzlich  öffentlich zugängliche Eigenschaften der Konzeptmodelle von den Projekten \emph{WindPACT}, \emph{RECOFF} und \emph{DOWEC}.
Die \ac{WEA} ist somit eine Zusammensetzung der einzelnen Modellen mit den repräsentativsten Spezifikationen.

Da die \emph{REpower~5M} gegenüber der \emph{Multibrid~M5000} für das \ac{NREL} eher konventionelle und erwartende Eigenschaften hat und die \emph{DOWEC} sehr hohe Übereinstimmung mit der \emph{REpower~5M} hat, ist die \ac{NREL} Ausgangs-\ac{WEA}
hauptsächlich aus diesen beiden Arbeiten entstanden.

Neben der hiesigen Verwendung der Ausgangs-\ac{WEA} von \ac{NREL}, fand die \ac{WEA} unter anderem für Projekte des \emph{U.S. DOE's Wind \& Hydropower Technologies Program}s und des \emph{European Union UpWind research program}s sowie der \emph{International Energy Agency (IEA) Wind Annex XXIII Subtask 2 Offshore Code Comparision Collaboration (OC3)} Anwendung.

\subsection{Modellbildung}
Die Modellbildung der \ac{WEA} erfolgt in mehreren Schritten, wobei unterschiedliche Programme zum Einsatz kommen.
Die Grundlage der dreidimensionalen Modellbildung bildet ein bereits vorbereitetes Geometrie- beziehungsweise Computermodell mit dem \acs{CAD}"=Programm \emph{CATIA\,V5} von der Firma \emph{Dassault Systèmes}\footnote{Dassault Systèmes, URL: \url{http://www.3ds.com/de/}}.
Für das Simulationsmodell muss das Geometriemodell, insbesondere zur Abbildung von unterschiedlichen Materialparameter, modifiziert werden. Dazu werden hauptsächlich Unterprogramme (Makros) in der Programmiersprache \ac{VB} eingesetzt.
Die Simulation hingegen erfolgt mit dem \acs{FEM}"=Programm \emph{ANSYS Mechanical} von der Firma \emph{ANSYS}\footnote{ANSYS, URL: \url{http://www.ansys.com/de_de}} über die \emph{ANSYS Workbench} in der 15.\,Version.
Wobei unter anderem Materialparameter aus einem in der Skriptsprache APDL von ANSYS vorliegender Quelldatei entnommen werden. 
Die Abbildung~\ref{fig:E:Interaktionen} zeigt die groben Modellinteraktionen.
 
\begin{figure}[H]\centering
\begin{tikzpicture}[mindmap, scale=0.83,
%  level 1 concept/.append style={level distance=130,sibling angle=30}
  every node/.style={concept, execute at begin node=\hskip0pt, scale=0.83}, 
  text=white, grow cyclic,
  level 1 concept/.append style={level distance=4.75cm,sibling angle=45},
  level 2/.append style={level distance=3cm,sibling angle=30},
  root concept/.append style={
    concept color=black, fill=white, line width=1ex, text=black
  }
  ]
  \begin{scope}[mindmap, text=white]
    \node [root concept, font=\bfseries\Large] (modell) {\textsc{Simulations-modell}}[clockwise from=0] 
      child [concept color=matlab7, grow=10] {node (cad) {Computermodell}}
      child [concept color=matlab7, grow=200] {node (la) {Lagenaufbaustudie}};
  \end{scope}
  \begin{scope}[mindmap, concept color=matlab2,text=white]
    \node [concept, font=\Large] at (1,-8.5) {Programme}
      child [concept, grow=155]
        {node (ansys) {ANSYS} 
           child[grow=75] {node (workbench) {Workbench}}
           child[grow=135, level distance=90] {node (apdl) {APDL}}
        }
      child [grow=50, level distance=170] 
        {node [concept] (catia) {CATIA}}
      child [grow=85] 
        {node [concept] (vba) {VBA"=Makro}}
      child [grow=185, level distance=180] 
        {node [concept] (matlab) {MATLAB}};
  \end{scope}
  \begin{scope}[mindmap, concept color=matlab1,text=white]
    \node [concept, font=\Large] at (-2.5,4.5) (nrel) {NREL"=Ausgangs"=WEA} [clockwise from=0] 
      child [grow=-10] 
        {node [concept] (mbm5) {Multibrid M5000}}
      child [grow=20] 
        {node  [concept] (rep5) {REpower 5M}}
      child [grow=170] 
        {node [concept] (windpact) {WindPACT}}
      child [grow=200]
        {node  [concept] (recoff) {RECOFF}}
      child [grow=230]
        {node [concept] (recoff) {DOWEC}};
  \end{scope}
  \begin{pgfonlayer}{background}
    \path (nrel) to[circle connection bar] (modell);
    \path (nrel) to[circle connection bar] (la);
    \path (nrel) to[circle connection bar] (cad);
    \path (workbench) to[circle connection bar] (modell);
    \path (vba) to[circle connection bar] (catia) to[circle connection bar] (cad);
    \path (matlab) to[circle connection bar] (apdl) to[circle connection bar] (la);
%    \draw [circle connection bar]
%      (nrel) edge (modell)
%      (nrel) edge (la)
%      (nrel) edge (cad)
%      (workbench) edge (modell)
%      (catia) edge (vba) edge (cad)
%      (apdl) edge (matlab) edge (la);
  \end{pgfonlayer}
\end{tikzpicture}
\caption{Modellinteraktionen}
\label{fig:E:Interaktionen}
\end{figure} \vspace{-1.5em}

%\begin{tikzpicture}[
%  mindmap,
%  every node/.style={concept, execute at begin node=\hskip0pt},
%  root concept/.append style={
%    concept color=black, fill=white, line width=1ex, text=black
%  },
%  text=white, grow cyclic,
%  level 1/.append style={level distance=4.5cm,sibling angle=90},
%  level 2/.append style={level distance=3cm,sibling angle=45}
%]
%
%\node[root concept] {Berechnungs-modell} % root
%child[concept color=red] { node {Programme}
%child { node {ANSYS} }
%child { node {CATIA} }
%child { node {MATLAB} }
%child { node {} }
%}
%child[concept color=blue] { node {NREL"=Ausgangs"=WEA}
%child { node {Multibrid M5000} }
%child { node {REpower 5M} }
%child { node {WindPACT} }
%child { node {RECOFF} }
%child { node {DOWEC} }
%child { node {} }
%}
%child[concept color=orange] { node  {Measuring Complexity}
%child { node {Complexity Measures} }
%child { node {Classifying Complexity} }
%child { node {Comparing Complexity} }
%child { node {Describing Complexity} }
%}
%child[concept color=green!50!black] { node {Solving Problems}
%child { node {Exact Algorithms} }
%child { node {Randomization} }
%child { node {Fixed-Parameter Algorithms} }
%child { node {Parallel Computation} }
%child { node {Partial Solutions} }
%child { node {Approximation} }
%};
%\end{tikzpicture}