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Quantifizierung der Einflüsse aus Fertigungsautomatisierung und Innenschweißen auf die Ermüdungsfestigkeit von Hohlprofilknoten für Offshore-Windenergieanlagen

Quantifying the effects of manufacturing automation and internal welding on the fatigue resistance of circular hollow section joints for offshore wind energy converters

  • Die Entwicklung in der Offshore-Windenergie hin zu größeren, leistungsstärkeren An-lagentypen sowie die zeitgleich zunehmenden Wassertiefen der projektierten Wind-parks stellt u. a. Designer und Fertiger der Gründungsstrukturen von Windenergiean-lagen vor wachsende Herausforderungen. Neben dem Gründungskonzept der XL-Monopiles rückt wegen der Kombination aus dem vergleichsweise geringen Materialverbrauch bei gleichzeitig hoher Steifigkeit, auch die Jacketgründung in den Fokus. Der Fertigungsaufwand der Jackets ist verglichen mit Monopiles groß; kann jedoch durch die Nutzung von Standardrohren mit automatisiert gefertigten Jacketknoten reduziert werden. Vor diesem Hintergrund beschreibt der vorliegende Forschungsbericht den Fertigungs-prozess zum automatisierten Schweißen von X-förmigen Hohlprofilknoten für Jacket-Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Ein weiteres wesentliches Ziel dieses Vorhabens war die konsequente Digitalisierung der schweißtechnischenDie Entwicklung in der Offshore-Windenergie hin zu größeren, leistungsstärkeren An-lagentypen sowie die zeitgleich zunehmenden Wassertiefen der projektierten Wind-parks stellt u. a. Designer und Fertiger der Gründungsstrukturen von Windenergiean-lagen vor wachsende Herausforderungen. Neben dem Gründungskonzept der XL-Monopiles rückt wegen der Kombination aus dem vergleichsweise geringen Materialverbrauch bei gleichzeitig hoher Steifigkeit, auch die Jacketgründung in den Fokus. Der Fertigungsaufwand der Jackets ist verglichen mit Monopiles groß; kann jedoch durch die Nutzung von Standardrohren mit automatisiert gefertigten Jacketknoten reduziert werden. Vor diesem Hintergrund beschreibt der vorliegende Forschungsbericht den Fertigungs-prozess zum automatisierten Schweißen von X-förmigen Hohlprofilknoten für Jacket-Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Ein weiteres wesentliches Ziel dieses Vorhabens war die konsequente Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette während der automatisierten Schweißung der X-Knoten. Die so ge-speicherten Prozessparameter können zum einen als Grundlage einer Qualitätskon-trolle dienen, zum anderen ermöglichen sie eine vollständige Nachverfolgbarkeit der automatisiert gefertigten Rohrknoten. Der zweite maßgebend in diesem Bericht behandelte Aspekt umfasst die Quantifizie-rung der Einflüsse aus Fertigungsautomatisierung und Innenschweißen auf die Ermü-dungsfestigkeit der Hohlprofilknoten auf Basis serieller Ermüdungsversuche. Dazu wurden im Projekt zwei Serien mit jeweils 16 Schwingversuchen an ein- und doppel-seitig automatisiert geschweißten X-Knoten durchgeführt und entsprechende Struktur-spannungswöhlerlinien für die automatisiert gefertigten X-Knoten bestimmt. Die Ergebnisse dieser Ermüdungsversuche werden abschließend in numerischen Untersuchungen auf Basis der Strukturspannungs- und des Kerbspannungskonzeptes gegenübergestellt, um die Prognosefähigkeit beider Konzepte für die ermüdungs-kritischen Bereiche des X-Knotens bewerten zu können. Durch die im Forschungsvorhaben durchgeführten schweißtechnischen, experimen-tellen und numerischen Analysen konnte das Potential automatisiert gefertigter Rohr-knoten hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Ermüdungsverhalten quantifiziert werden. Zusätzlich konnte der Einfluss der inneren Schweißnaht auf die Ermüdungsfestigkeit bewertet werden.zeige mehrzeige weniger
  • The development within the offshore wind sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both the designer as well as the manufacturer of bottom fixed support structures. Besides XL-monopiles, the market developed an innovative and economic jacket support structure, which is based on automatically manufactured tubular joints combined with standardized pipes. Besides the improvements for a serial manufacturing process the automatically welded tubular joints show a great potential in terms of fatigue resistance e.g. due to a smooth weld geometry without sharp notches. However, these benefits are not considered yet within the fatigue design process of automatically manufactured jacket substructures according to standards and guidelines due to the lack of suitable S-N curves. Therefore, within this research project the automatically welding process of tubular joints for jacket support structures of offshore wind energyThe development within the offshore wind sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both the designer as well as the manufacturer of bottom fixed support structures. Besides XL-monopiles, the market developed an innovative and economic jacket support structure, which is based on automatically manufactured tubular joints combined with standardized pipes. Besides the improvements for a serial manufacturing process the automatically welded tubular joints show a great potential in terms of fatigue resistance e.g. due to a smooth weld geometry without sharp notches. However, these benefits are not considered yet within the fatigue design process of automatically manufactured jacket substructures according to standards and guidelines due to the lack of suitable S-N curves. Therefore, within this research project the automatically welding process of tubular joints for jacket support structures of offshore wind energy turbines was developed. Additionally, the project was focused on a consistent digitalization of the welding production chain during the automated welding of the X-joints. These stored process parameters can then serve as the basis for quality checks and a complete traceability of the automatically produced tubular joints is enabled. The second aspect dealt within this report is the quantification of the effects of production automation and internal welding on the fatigue resistance of the tubular joints by performing serial fatigue tests. For this purpose, two series each with 16 fatigue tests on single- and double-sided automatically welded X-joints were carried out in the project to determine structural stress based S-N curves for the automatically welded X-joints. The results of these fatigue tests are then compared to numerical investigations based on the structural stress as well as notch stress approach. The outcomes are then compared to evaluate the capability of both approaches for the prediction of the fatigue-critical locations within the X-joints. Based on the analysis of the welding procedure as well as the experimental and numerical investigations within this research project, the potential of automatically manufactured tubular joints with regard to reproducibility and fatigue behaviour was investigated. In addition, the effects of an inner root layer on the fatigue resistance was evaluated.zeige mehrzeige weniger

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  • Schaumann et al. Abschlussbericht FATInWeld_2020.pdf
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Autor*innen:P. Schaumann, K. Schürmann, Andreas PittnerORCiD, Michael RethmeierORCiD
Dokumenttyp:Forschungsbericht
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2020
Organisationseinheit der BAM:9 Komponentensicherheit
9 Komponentensicherheit / 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren
Herausgeber (Institution):FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Jahrgang/Band:Bericht P1178
Erste Seite:1
Letzte Seite:189
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Lightweight Design; Offshore Wind
Arc Welding Automation; Fatigue; Jacket Support Structures
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
URL:https://shop.stahldaten.de/produkt/p-1178-quantifizierung-der-einfluesse-aus-fertigungsautomatisierung-und-innenschweissen-auf-die-ermuedungsfestigkeit-von-hohlprofilknoten-fuer-offshore-windenergieanlagen
ISBN:978-3-946885-79-5
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:17.12.2020
Referierte Publikation:Nein
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