Page 78 - Forschungsbericht 2021 - Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik

Promotionen

Promotion Dr.-Ing. Dustin Nielow

Einfluss fertigungsbedingter Imperfektionen
auf die Schwingfestigkeit von FKV-Schalenstrukturen
in Sandwichbauweise

Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude

Die Doktorarbeit mit dem Fokus auf die erneuerba- Das in dieser Arbeit entwickelte Prüfkonzept, das aus
ren Energien entstand im Rahmen eines Teilprojektes dem Substrukturen-Prüfstand mit dem korrespondie-
des Verbundvorhabens „BladeTester“ (gefördert durch renden Prüfkörper und der geeigneten Zustandsüber-
das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz wachung sowie dem validierten FEM-Modell besteht, er-
(BMWK), FKZ: 0325298A) und in enger Kooperation zwi- möglicht erstmalig, die der Rotorblattschale ähnlichen
schen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prü- Substrukturen unter realitätsnahen Lastszenarien ohne
fung (BAM) und der TU Dresden. Im Einzelnen wurde da- Stabilitätsversagen zu untersuchen und deren komple-
rin folgende Fragestellung adressiert: Die Rotorblätter xes Verformungsverhalten numerisch abzubilden. Der in
von Windenergieanlagen (WEA) weisen häufig bereits der Arbeit nachgewiesene Einfluss von fertigungsbeding-
nach wenigen Jahren und vor allem lange vor dem Er- ten Imperfektionen auf die Schadensinitiation und die si-
reichen der prognostizierten Lebensdauer von 20 bis 30 gnifikante Reduktion der Lebensdauer, sowie die daraus
Jahren Risse in der Blattschale auf. Daraufhin muss das abgeleiteten Designregeln liefern für die Ingenieurpraxis
installierte und schwer zugängliche Rotorblatt aufwendig wichtige Konstruktionshinweise und unterstützen die be-
repariert und der kostenintensive Nutzungsausfall durch triebssichere Auslegung von gekrümmten Sandwichkons-
den Stillstand der WEA in Kauf genommen werden. Als truktionen wie beispielsweise WEA-Rotorblätter.
mögliche Initiatoren für die Schäden in der Blattschale
der Rotorblätter gelten fertigungsbedingte Imperfektio-
nen. Um den Einfluss dieser auf das Ermüdungsverhal-
ten der Rotorblätter zu erforschen, wurde an der BAM
ein Prüfstand für statische und zyklische Versuche von
Schalensegmenten im Substrukturen-Maßstab entwickelt
und in Betrieb genommen. Die untersuchten Schalen-
segmente in Sandwichbauweise ähneln der Rotorblatt-
schale von WEA im Hinblick auf die Strukturmechanik,
die eingesetzten Halbzeuge, den Laminataufbau und das
eingesetzte Fertigungsverfahren. Als fertigungsbedingte
Imperfektionen wurden verschiedene Variationen von
Lagenstößen in die Hautlagen sowie Schaumstöße mit
Breitenvariation in den Stützkern reproduzierbar ein-
gebracht. Die Überwachung des Schädigungszustandes
während der Schwingversuche unter realistischen Last-
szenarien erfolgte über eine kombinierte in situ Schädi-
gungsüberwachung mittels passiver Thermografie und
Felddehnungsmessung.
© Dustin Nielow
CAD-Darstellung des entwickelten Substrukturen-Prüfstandes mit
integrierter Zustandsüberwachung

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