Überwachung und Modellierung der Tragstruktur von Windenergieanlagen - Beitrag zu einem Digitalen Zwilling

Grundlage für die Erstellung eines Digitalen Zwillings ist ein geeignetes Modell mit einer engen Verbindung zur Realität in Form von Messdaten. In diesem Beitrag wird erläutert, wie Modell und Messdaten der Tragstruktur einer Windenergieanlage gewonnen werden können. Das Vorgehen wird an einer realen Anlage mit Beton/Stahl-Hybridturm umgesetzt. Das Monitoring umfasst die Überwachung von Schwingungen, Dehnungen und Temperatur sowie eine Ermittlung des dynamischen E-Moduls im Betonteil durch Schallgeschwindigkeitsmessungen. Als Modell wurde ein Finite-Elemente-Modell mit Schalenelementen gewählt, welches Versteifungseffekte aus statischen Lasten berücksichtigt. Ein Abgleich zwischen Modell und Realität ist die wichtigste Voraussetzung für die Verwendung eines Digitalen Zwillings: Daher wird eine mehrstufige Modellvalidierung anhand modaler Parameter und lokaler Materialspannungen durchgeführt. Der Digitale Zwilling bietet verschiedene Nutzungsszenarien; hier wird eines exemplarisch durchgeführt, die Ermüdungsberechnung und Restlebensdauerabschätzung. Dafür werden Materialspannungen an hoch belasteten Positionen anhand von Messdaten und Modell ermittelt. Das Ergebnis sind aktuell noch unrealistisch hohe Lebensdauern für den Betonteil. Die Ergebnisse basieren auf relativ kurzen (1 Stunde, 24 Stunden) Spannungszeitreihen. Dies könnte eine Ursache für die hohen Werte sein. Es könnte auch ein Hinweis darauf sein, dass Materialermüdung einen für den Betonteil unkritischen Lastfall darstellt.

Monitoring and Modeling of a Wind Turbine Support Structure to Create a Digital Twin
The basis for creating a digital twin is a suitable model with a close connection to reality in the form of measurement data. In this paper it is explained how model and measurement data of the support structure of a wind turbine can be obtained. The procedure is implemented on a real wind turbine with a concrete/steel hybrid tower. The monitoring includes the acquisition of vibrations, strains and temperature as well as the determination of the dynamic Young's modulus of the concrete structure by sound velocity measurements. For modeling, a finite element model with shell elements was chosen, which takes into account stiffening effects from static loads. A comparison between model and reality is the most important premise for the use of a digital twin: Therefore, a multi-stage model validation based on modal parameters and local material stresses is performed. The Digital Twin offers different usage scenarios; here one is carried out: the fatigue calculation and remaining useful life (RUL) estimation. For this purpose, material stresses at highly stressed positions are determined using measurement data and model. The results are currently still unrealistically high lifetimes for the concrete part. The results are based on relatively short (1 h, 24 h) stress time series. This could be one reason for the high values. It could also be an indication that fatigue is a non-critical load case for the concrete part.