Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Vortrag (7)
- Zeitschriftenartikel (5)
- Dissertation (3)
- Beitrag zu einem Sammelband (1)
- Beitrag zu einem Tagungsband (1)
- Sonstiges (1)
Sprache
- Deutsch (18)
Schlagworte
- Betriebsfestigkeit (18) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
- nein (7)
Die neue Generation von bainitischen Schmiedestählen bietet auf der einen Seite ein erhebliches Festigkeitspotenzial, das es im Sinne des Leichtbaus auch für zyklisch belastete Sicherheitsbauteile zu heben gilt. Auf der anderen Seite geht mit dieser Festigkeitssteigerung im Vergleich zu Vergütungsstählen ein Verlust an Duktilität und Zähigkeit einher. Am Beispiel des Demonstratorbauteils Achsschenkel ging das Forschungsvorhaben der Frage nach, wie ein Freigabeprozess zu gestalten ist, damit das Festigkeitspotenzial der neuen Stähle zuverlässig ausgenutzt werden kann. Als Ergebnis wird eine Vorgehensweise dargestellt, die den Eigenschaften der neuen Generation von Schmiedestählen Rechnung trägt, um den sicheren Betrieb der Komponenten zu gewährleisten.
Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) weisen häufig nach wenigen Jahren, lange vor dem Erreichen der prognostizierten Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren Risse in der Blattschale auf. Die Folge sind aufwendige Reparaturen am installierten und schwer zugänglichen Rotorblatt und der kostenintensive Nutzungsausfall durch den Stillstand der WEA.
Als mögliche Initiatoren für die Schäden in der Blattschale der Rotorblätter gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Für die Untersuchung des Einflusses dieser Imperfektionen auf das Ermüdungsverhalten der Rotorblätter wurde an der BAM (Bundesanstalt für Mate-rialforschung und -prüfung) ein Prüfstand für statische und zyklische Versuche von Schalensegmenten im intermediate scale entwickelt und betrieben. Die untersuchten Schalensegmente in Sandwichbauweise sind der Rotorblattschale von WEA im Hinblick auf die Strukturmechanik, die eingesetzten Halbzeuge, den Laminataufbau und dem eingesetzten Fertigungsverfahren ähnlich. Als Imperfektionen wurden verschiedenen Variationen von Lagenstößen in die Hautlagen und Schaumstöße mit Breitenvariation in den Stützkern reproduzierbar eingebracht. Die Überwachung des Schädigungszustandes während der Schwingversuche unter realistischen Lastszenarien erfolgt über eine kombinierte in situ Schädigungsüberwachung mittels passiver Thermografie und Felddehnungsmessung.
Mit den durchgeführten Schwingversuchen und der begleitenden Überwachung des Schädigungszustandes ließen sich die Schadensinitiation und die signifikante Herabsetzung der Lebensdauer durch die eingebrachten Imperfektionen zweifelsfrei nachweisen und entsprechende Konstruktionshinweise für die betriebssichere Auslegung von Sandwichstrukturen ableiten.
Moderne Segelflugzeuge sind voll-verklebte tragende FKV-Strukturen. Über die Schwingfestigkeit der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) und die Lebensdauerabschätzung dieser Werkstoffklasse auf Basis verschiedener Lastspektren wurden insbesondere von Christoph Kensche verschiedenen Arbeiten durchgeführt und auch auf dem Symposium für Segelflugzeugentwicklung vorgestellt. Hingegen ist die Betriebsfestigkeit von Struktur-Klebungen im Anwendungsbereich der CS22 vergleichsweise wenig untersucht worden.
Über die Jahre wurden in verschiedenen Projekten immer wieder Probleme in Struktur-Klebungen (u.a. Betriebsbelastungsversuche an Versuchs-Holmen) identifiziert, analysiert und spezielle Prüfverfahren weiter entwickelt (Projekt „Tragflügel neuer Technologie für die allgemeine Luftfahrt“, FK SIF765). Im Rahmen des LuFo-Vorhabens GeAviBoo (General Aviation Booster) wurde in zwei Arbeitspaketen das Thema erneut aufgegriffen und Betriebsbelastungsversuche an Klebproben durchgeführt. Im Rahmen des Vortrages werden die Erkenntnisse der letzten 10 Jahre aufbereitet und die neusten Ergebnisse vorgestellt.
Diese DIN SPEC legt ein Verfahren für die Prüfung von unverstärkten und partikel- und kurzfaserverstärkten Kunststoffen mittels Zug-Druck-Schubprüfung fest. Dieses Verfahren findet Anwendung zur Bestimmung der Schwingfestigkeit im Bereich von 103 bis 107 Schwingspielen und der Nachgiebigkeiten unter statischer Belastung sowie der Zugfestigkeit. Alle Beanspruchungen und berechneten Größen sind nennspannungs-basiert.
Grundsätzlich besteht bei Rohrprobekörpern auch die Möglichkeit eine Beanspruchung in Längs- und in Umfangsrichtung durch Innendruck zu erzeugen. Dies wird in dieser Spezifikation nicht berücksichtigt, um die Anwendung überschaubar zu halten. Bei Rohrproben mit ausgeprägter Querschnittsverkleinerung (z. B. der Prüfkörper Typ B), entsteht eine Umfangsspannung auch aufgrund einer Zugkraft (siehe Anhang C). Die Umfangsspannung muss dann mittels FEA lokal berechnet werden.
Das Verfahren gilt für rohrförmige Prüfkörper deren spezifische Form den Anforderungen der Werkstoff-prüfung und bei Kurzfaserverstärkung einer hohen Vorzugsausrichtung in Probenlängsrichtung genügen.
Diese DIN SPEC gilt nicht für endlosfaserverstärkte Kunststoffe. Wegen der vollkommen unterschiedlichen Fertigungstechnologien und der zu erwartenden hohen Prüflasten, sind hier die Anforderungen an die Prüfkörpergeometrie gesondert zu betrachten. Es wird nicht zielführend sein, beide Werkstoffklassen in einer Norm zu behandeln.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
Hochleistungsverbundwerkstoffe, bzw. Glasfaser-Kunststoff-Verbunde (GFK), haben sich als Leichtbauwerkstoffe für Leichtflugzeuge und Rotorblätter von Windkraftanlagen etabliert. Die hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit qualifizieren sie besonders für diese Anwendung. Während der Fertigung werden Imperfektionen häufig in die Blattschalen eingebracht. Durch Witterungseinflüsse kommt es zum Schadensfortschritt. Infolgedessen treten Schäden in der Blattschale, die den sicheren Betrieb gefährden können, weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren auf. Da der Austausch von ganzen Blättern sehr kostintensiv ist, ist eine lokale Reparatur des geschädigten Bereichs zur Wiederherstellung der strukturellen Integrität, viel preisgünstiger. Die Reparatur von Rotorblättern ist in den letzten Jahren zu einem wichtigen Thema geworden. Derzeit werden verschiedenste Reparaturkonzepte angewendet. Eine einheitliche Reparaturvorgabe gibt es bisher nicht. Die Auswirkungen der angewendeten Reparaturkonzepte auf die Betriebsfestigkeit der Reparaturstelle sind weitestgehend unbekannt und sollen deshalb in diesem Projekt untersucht werden. Gekrümmte Voll-Laminat sowie Sandwich Prüfkörper werden mit dem Vacuum-Assisted-Resin-Infusion-Prozess (VARI) produziert. Um einen Teil einer Rotorblattschale darzustellen, sind sie als GFK aufgebaut, beziehungsweise die Sandwich Strukturen mit einem Polyvinylchlorid-Schaumkern (PVC) Kern, wie im Original. Schalenreparaturen in verschiedenen Layup-Techniken und Geometrie werden eingebracht und die Materialeigenschaften mit zyklischen Ermüdungstests untersucht. Im Projekt werden ideal im Labor erzeugte Reparaturstellen mit in der Praxis angewendeten Ausführungstechniken eines Industriepartners experimentell verglichen. Für die in-situ Detektion der Schadensentwicklung während des Ermüdungsversuches kommt ein kombiniertes Felddehnungs- und Thermografie-Kamerasystem zum Einsatz. Das mechanische Verhalten und die Schadensentwicklung in den verschiedenen reparierten Prüfkörper wird miteinander sowie mit den Referenzproben ohne Reparaturstellen verglichen. Zudem wird in numerischen Modellen für die verschiedenen Reparaturtechniken eine Spannungsanalyse durchgeführt um hinsichtlich der Betriebsbeanspruchung eine Bewertung angeben zu können.
Die Betriebsbeanspruchung für Rotorblätter ist aus Messungen bekannt. Schäden an Rotorblättern treten im Betrieb meistens an der Blattschale nach 4-5Jahren, weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren auf und führen zum Anlagenstillstand, wenn sie nicht repariert werden. Mittels eines an der BAM entwickelten FKV-Sandwich-Schalenprüfkörpern kann effizient die Betriebs-festigkeit von Imperfektionen und Reparaturstellen studiert werden. Fertigungsbedingte Imperfektionen (Lagenstöße, Schaumstöße) verkürzen die Lebensdauer ggf. erheblich und führen zu Reparaturen. Experimentell konnte gezeigt werden, dass ein(e) aus-reparierte(r) Schaden/Imperfektion die Betriebsbeanspruchung deutlich besser erträgt, als die schadhafte Struktur.Die numerische Betriebsfestigkeitsvorhersage für FKV ist Gegenstand der Forschung. Gleiches gilt für die Abschätzung der Lebensdauerverkürzung infolge bekannter Fertigungsabweichungen.
Mit Hilfe der an der BAM entwickelten Röntgenrefraktionstopographie lassen sich zerstörungsfrei innere Oberflächen insbesondere in CFK messen. Somit gelingt es quantitativ und ortsaufgelöst Mikrorisse im μm-Maßstab (Faser-Matrix-Ablösungen, Matrix-Matrix-Brüche) auch im komplexen Laminat zu bestimmen. Ziel ist es, die Mikrorissbildung an Geweben und Gelegen in-situ zur Schwingbeanspruchung zu ermitteln, um Materialkonstanten und Modelle zu bestimmen, mit Hilfe derer die Zwischenfaserbruchanstrengungen angeben werden kann, bei der die Grenze zum „unendlichen“ Leben liegt, also der Werkstoff als „dauerfest“ bezeichnet werden kann. Die Schädigungsmechanismen konnten aber auch an Schalenstrukturen aus GFK mit optischen Verfahren und mit In-Situ-Messungen mittels Thermographie nachgewiesen werden. Zudem spielt die Faser-Matrix-Grenzfläche, also die Oberflächenchemie auf der Faser sowie der Vernetzungsgrad der Epoxidharzmatrix eine entscheidende Rolle.
Mit Hilfe der an der BAM entwickelten Röntgenrefraktionstopographie lassen sich zerstörungsfrei innere Oberflächen insbesondere in CFK messen. Somit gelingt es quantitativ und ortsaufgelöst Mikrorisse im μm-Maßstab (Faser-Matrix-Ablösungen, Matrix-Matrix-Brüche) auch im komplexen Laminat zu bestimmen. Ziel ist es, die Mikrorissbildung an Geweben und Gelegen in-situ zur Schwingbeanspruchung zu ermitteln, um Materialkonstanten und Modelle zu bestimmen, mit Hilfe derer die Zwischenfaserbruchanstrengungen angeben werden kann, bei der die Grenze zum „unendlichen“ Leben liegt, also der Werkstoff als „dauerfest“ bezeichnet werden kann. Die Schädigungsmechanismen konnten aber auch an Schalenstrukturen aus GFK mit optischen Verfahren und mit In-Situ-Messungen mittels Thermographie nachgewiesen werden. Zudem spielt die Faser-Matrix-Grenzfläche, also die Oberflächenchemie auf der Faser sowie der Vernetzungsgrad der Epoxidharzmatrix eine entscheidende Rolle.
In den Blattschalen von Rotorblättern von Windenergieanlagen (WEA) bilden sich häufig weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren Risse aus. Durch Witterungseinflüsse kommt es zum Schadenfortschritt. Die Folge sind der Stillstand der Anlage und kostenintensive Reparaturen am Turm oder der komplette Austausch der Rotorblätter. Als eine mögliche Ursache der Rissentstehung und des Risswachtums gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Aufgrund der Effizienz werden Komponententests mit repräsentative Schalensegmenten und –ausschnitten von Rotorblättern angestrebt. Für diese Untersuchungen wurde ein Versuchsstand für die Prüfung von Schalenstrukturen konstruiert und an der BAM betrieben. Mit dem Versuchsstand kann der Einfluss von fertigungsbedingten Imperfektionen auf die Rissentstehung und das Risswachstum untersucht werden. In dem Prüfstand werden gekrümmte Sandwichschalen mit eingebrachten Imperfektionen (z.B. Schaumstöße, Laminatabstufungen) unter schwellender Druckbelastung untersucht. Die aufgebrachte Last entspricht realistischen Belastungsniveaus (z. B. 50 Jahres Böe) von Rotorblättern. Die in situ Zustandsüberwachung erfolgt kombiniert mittels Thermografie und der optischen 3 D Felddehnungsmessungen. Mit dem optischen 3 D Felddehnungssystem (ARAMIS) werden die In- und Out-Off-Plane Verformungen der Sandwichschale unter der zyklischen Schwingbelastung detektiert. Die zerstörungsfreie Detektion der Werkstoffermüdung (z.B. Risse) in den Schalenprüfkörpern infolge der zyklischen Beanspruchung erfolgt mittels begleitender passiver Thermografie. Mit den durchgeführten Versuchen konnte der Einfluss der unterschiedlichen fertigungsbedingten Imperfektionen auf die Betriebsfestigkeit der Sandwich Schalenprüfkörper herausgestellt werden. Aus diesen Erkenntnissen wurden für den Rotorblattbau Design Hinweise abgeleitet. Weiterhin wurde in den Versuchen die Eignung der kombinierten Zustandsüberwachung für die Detektion der Verformungsänderungen, Schadensentstehung und dem Schadensfortschritt nachgewiesen. Die kombinierte Zustandsüberwachung mittels Thermografie und der optischen 3 D Felddehnungsmessung eignet sich sehr gut zur Schadensdetektion von Sandwichstrukturen unter Schwingbeanspruchung.