Bessere Anlegestellen für Offshore-Windkraftanlagen
Die Strukturanalyse hilft einem Offshore-Ingenieurbüro bei der Konstruktion von Bootsanlegern, die dem rauen Seegang und 200-Tonnen-Schiffen standhalten.
Von Joseph Carew
September 2024
Das Meer ist aufgewühlt und ein Schiff wird hin und her gewuchtet, während sich das Wartungspersonal einer Offshore- Windkraftanlage nähert. Das Schiff wird gegen die speziell konstruierte Bootsanlegestelle der Anlage gedrückt, und die Besatzungsmitglieder beginnen, von Bord zu gehen. Während sie sich zur Windkraftanlage bewegen, rollt eine Welle das Schiff weg und dann zurück zu den Besatzungsmitgliedern, die sich noch immer auf dem unteren Teil des Anlegers befinden. Glücklicherweise wird die Katastrophe abgewendet, da die Stahlfender den Aufprall abfangen und der Transfer verläuft sicher.
Aufgrund der unerbittlichen Kraft des Meeres, der Verletzlichkeit der zu transportierenden Personen und der häufigen Interaktion mit gewichtigen Schiffen ist es selbstverständlich, dass Bootsanleger stabil sein müssen. Um die Stabilität zu erhöhen, könnte man mehr Stahl einsetzen, aber ohne die richtigen Informationen zur Entscheidungsfindung könnten die Konstrukteure am Ende Material an Stellen hinzufügen, wo dies eigentlich nicht sinnvoll ist, was die Kosten unnötig in die Höhe treibt. Daher ist es für den Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen von entscheidender Bedeutung, dass bei der Konstruktion von Bootsanlegern nicht nur auf Sicherheit und Stabilität geachtet wird, sondern auch auf den effizienten Einsatz von Materialien.
Um diese Herausforderungen zu meistern, hat Wood Thilsted, ein führendes Unternehmen im Bereich Offshore-Engineering, eine Methode entwickelt, um Bootsanleger kostengünstig und effizient zu entwerfen, zu testen und zu validieren – mit Blick auf das Meer und die Sicherheit. Das Team nutzt insbesondere die Simulationssoftware COMSOL Multiphysics®, um den Arbeitsaufwand zu reduzieren, potenzielle Fehler zu minimieren und viele seiner Designprozesse zu automatisieren.
Die Herausforderungen beim Anlegen
Bei einem typischen Projekt verbringt das Team von Wood Thilsted nur ein bis zwei Monate damit, eine neue Bootsanlegestelle zu entwerfen, die der rauen See und 200-Tonnen-Schiffen 30 Jahre lang standhält. Louise Bendtsen, leitende Bauingenieurin bei Wood Thilsted, sagt, dass diese Anlegestellen, wenn man sie auf ihr grundlegendes Konzept reduziert, irreführend einfach erscheinen können. Bendtsen erinnert sich: „Jemand sagte einmal: „Das sind doch nur Rohre! Das ist nicht so schwer." Aber es ist eine echte Herausforderung." Die anspruchsvollen realen Anforderungen machen Offshore-Anlegestellen zu einer einschüchternden Entwurfsperspektive.
„Die Herausforderung bei der Konstruktion besteht darin, dass wir eine Reihe von Anforderungen mit unterschiedlichen Lastfällen haben, die sich widersprechen. Ich kann viel Zeit damit verbringen, einen Aspekt des Designs zu optimieren und dann feststellen, dass er für einen anderen Designfall nicht funktioniert“, so Bendtsen. „[Für Konstrukteure bedeutet das,] dass sie eine breitere Perspektive auf das Design als Ganzes haben müssen und sich nicht zu sehr auf ein kleines Detail konzentrieren können, weil es einfach nicht funktionieren wird.“
Die Notwendigkeit, dass das Wartungspersonal mithilfe des Bootsanlegers sicher von seinem Schiff zur Windkraftanlage wechseln kann, macht das Design noch komplexer. Während dieses Vorgangs wird der Bug eines speziell konstruierten 200-Tonnen-Schiffs gegen die Fender des Bootsanlegers gedrückt, während das Personal auf die Leiter an der Struktur steigt und sich in Sicherheit bringt. Eine Bootsanlegestelle muss in der Lage sein, diesen Stößen sowie den Kräften standzuhalten, denen sie im Laufe der voraussichtlichen 30-jährigen Lebensdauer ausgesetzt sein wird. Ingenieure müssen zusätzlich zu den übergreifenden Lastfallanforderungen auch für Unfälle wie unbeabsichtigte Kollisionen planen.
Ermitteln des Ultimate Limit State und Fatigue Limit State
Um die Möglichkeiten der verschiedenen Designs bestmöglich zu verstehen, benötigt das Team von Wood Thilsted eine Simulationssoftwareplattform, die in der Lage ist, sowohl eine ULS-Welle (Ultimate Limit State) als auch eine FLS-Welle (Fatigue Limit State) zu modellieren, und setzt dazu die Software COMSOL Multiphysics® ein. Die ULS-Welle stellt die maximalen Kräfte dar, die ein Bootsanleger während seiner voraussichtlichen Lebensdauer erfahren wird, während die FLS-Welle für die kumulativen Auswirkungen von 30 Jahren Wellengang und Transfers auf die Struktur steht. Die ULS- und FLS-Wellen sind die maßgeblichen Lastfälle für jede potenzielle Designlösung für einen sicheren Zugang zu Offshore-Windkraftanlagen.
Da Bootsanleger aus Leitern, Fendern, Stiften und vielen anderen Komponenten bestehen, muss das Team von Wood Thilsted auch in der Lage sein, eine Vielzahl von verschiedenen Designs zu testen, um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten. Allerdings ist es zeitaufwändig, jedes Teil einzeln zu ändern und die gesamte Geometrie neu zu bauen. Mit der optimierten Umgebung der COMSOL® Software kann das Team die wichtigsten Maße schnell anpassen, testen und optimieren, wie beispielsweise den Abstand zwischen den Sprossen, die Breite der Leiter, den Abstand zwischen den Fendern und den Überstiegsabstand.
Landung bei einem Design
Die Designs von Wood Thilsted für Bootsanlegestellen bestehen aus Stahl und umfassen drei Sätze von horizontalen Leiterstützen, die an das Übergangsstück der Windturbine geschweißt werden, wo die Turbine auf das Wasser trifft. Die obere Stütze ist ein an einen Flansch geschweißter Bolzen, der als vertikale Stütze für die Bootsanlegestelle dient. Die beiden unteren Stützen sind mit vulkanisiertem Neopren ummantelte Stifte in Halterungen. Das Neopren sorgt dafür, dass die Beschichtung des Stützsystems nicht beschädigt wird. Insgesamt ermöglicht dieser Konstruktionsansatz ein einfaches Entfernen des Bootsstegs für den unwahrscheinlichen Fall, dass ein Austausch vor dem Ende der erwarteten Lebensdauer erforderlich wird.
Automatisierung mit Simulationssoftware
Um die zeit- und ressourcenintensive Durchführung sich wiederholender Analysen zu vermeiden, entschied sich das Team von Wood Thilsted für die Automatisierung der Simulationen.
„Wir verwenden COMSOL, um schnell und einfach die Spannungskonzentrationsfaktoren (SCFs) unserer Bootsanleger zu berechnen und diese während des gesamten Projekts zu verfolgen“, so Bendtsen. Um potenzielle Designs weiter zu validieren, arbeitet ihr Team mit dem Primary Steel Team von Wood Thilsted zusammen, um Feedback zu den SCFs und den Grenzen der verwendeten Materialien zu erhalten.
Das Team von Wood Thilsted verwendet LiveLink™ for MATLAB®, ein Add-On-Produkt zu COMSOL Multiphysics®, um Prozesse wie die Anwendung von Lasten, die Einstellung von Materialeigenschaften und die Auswahl des Analysetyps zu automatisieren und so Konsistenz und hohe Qualität zu gewährleisten.
„Mit COMSOL Multiphysics® erhalten wir die Spannungen automatisch und verbinden diese Daten dann mit LiveLink™ for MATLAB®“, so Bendtsen. "So können wir unsere eigenen Skripte schreiben, die Spannungen und Dehnungen extrahieren und alle Ergebnisauswertungen für die verschiedenen Lastfälle durchführen. Dadurch gewinnen wir Zeit, um das Design zu verbessern und uns auf die schwierigen Teile zu konzentrieren."
Diese Lastfälle umfassen die Simulation normaler Wellenlasten sowie unerwarteter Schiffsstöße. All dies kann in COMSOL® optimiert und automatisiert werden, indem man Informationen über bestimmte Bauteile aufbaut und speichert. „Es gibt viele Möglichkeiten zur Automatisierung in der Software, und das ist für uns wirklich von Vorteil, weil wir all diese Lastfälle haben, die ähnlich, aber unterschiedlich sind“, sagt Bendtsen.
Bauteilbibliothek und Parameter
Ein Teil dessen, was Wood Thilsted einen effizienten Designansatz ermöglicht, ist seine Geometrieteilbibliothek. Innerhalb von COMSOL Multiphysics® können Benutzer Designs erstellen und speichern sowie ihre komplexen Geometrien reproduzieren und parametrisieren. Mithilfe dieser Funktion bauen Bendtsen und das Team ihre Bootsanlegerdesigns Stück für Stück auf, indem sie jedes Teil einzeln abbilden und seine Parameter speichern, so dass sie einen Designteil gegen einen anderen austauschen können. Auf diese Weise können sie mehrere ähnliche Teile gleichzeitig ändern, indem sie den entsprechenden globalen Geometrieparameter anpassen. So können sie ein Design leicht mit früheren Iterationen vergleichen.
Konkret hat Wood Thilsted alles, einschließlich der Fenderstützen, der Halterungsstützen, der Fender und der Leitern in seiner Geometrieteilbibliothek und kann die Teile je nach Bedarf in ein Modell einfügen. „Das bedeutet, dass ich diese verschiedenen Geometrieteile kombinieren kann, um mein Gesamtdesign für den Bootsanleger zu erstellen“, so Bendtsen. „Wir haben auch mehrere Konfigurationen in unseren Teilen, so dass ich die Verbindungsarten und -winkel ändern kann, um verschiedene Konfigurationen zu ermöglichen.“
Bendtsen findet dies besonders nützlich, wenn sie mit Herstellern zusammenarbeiten, nachdem ihre Designs modelliert und simuliert wurden. Die Zusammenarbeit mit verschiedenen Herstellern führt zu individuellen Präferenzen für den tatsächlichen Bau eines Anlegers. „Wir haben viele unterschiedliche Konfigurationen. Deshalb haben wir eine Komponentenbibliothek erstellt, die es uns ermöglicht, unsere Anlegestelle auf verschiedene Weise zu konfigurieren und leicht anzupassen“, sagt Bendtsen.
Darüber hinaus kann der Konstrukteur mit dem 3D-COMSOL-Modell von Wood Thilsted auf einfache Weise eine visuelle Überprüfung eines potenziellen Designs durchführen. Mit Hilfe der Strukturmechanik-Simulation kann das Team von Wood Thilsted seine Anlegestellen genau modellieren und die dramatischen Auswirkungen simulieren, die die Umwelt und die Schiffe auf sie haben können.
Voraussetzungen für bessere Bootsanlandungen schaffen
Anlegestellen sind mehr als nur eine Ansammlung von Rohren, sie müssen effizient und sicher gestaltet werden. Da sowohl Kosten als auch Risiken auf dem Spiel stehen, haben Modellierung und Simulation dazu beigetragen, das Rätselraten aus dem Prozess zu nehmen. Darüber hinaus konnte Wood Thilsted Teile seiner Prozesse automatisieren und seine Konstruktionen für Windturbinendocks verbessern. „Unsere Kunden kommen immer wieder zu uns, um Bootsstege zu entwerfen, weil sich unsere Designs bewährt haben“, sagt Bendtsen. Dieses Gefühl geht Hand in Hand mit dem Motto von Wood Thilsted, Designs schnell und flexibel umzusetzen, wie Bendtsen erklärt: „Unsere Projektteams sind agil und schnell. Wir können Konstruktionsänderungen innerhalb von Stunden anstatt von Wochen umsetzen und so die stahleffizientesten Konstruktionen mit hoher Geschwindigkeit realisieren."
MATLAB ist eine eingetragene Marke von The MathWorks, Inc.