5 Werkstofftechnik
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Localized patches are a cost- and time-effective method for repairing fiber-reinforced polymer (FRP) sandwich wind turbine rotor blade shells. To increase the understanding of their effect on the fatigue of the blades, this study examines the effect of various layup methods of localized repair patches on the structural integrity of composite sandwich structures. Manufactured with the vacuum-assisted resin infusion (VARI) process, the shell test specimens are produced as a curved structure with glass fiber reinforced polymer (GFRP) sandwiching a polyvinyl chloride (PVC) foam core. Patch repairs are then introduced with varying layup techniques, and material properties are examined with cyclic fatigue tests. The transition region between patch and parent material is studied in greater detail with finite element method (FEM) simulations, with a focus on the effect of fiber orientation mismatch. Damage onset, crack development, and eventual failure are monitored with in-situ non-destructive testing methods to develop a robust understanding of the effects of repair concepts on material stiffness and strength.
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.
High-performance composites, including glass-fiber reinforced plastic (GFRP) materials, are favored as a construction material for wind turbine rotor blades due to their high specific strength and stiffness properties. During the manufacturing process, however, imperfections are often introduced, then further propagated due to harsh environmental conditions and a variety of loads. This leads to failure significantly before their projected 20-year lifespan. As replacement of entire blades can be a costly potential outcome, localized repair of the damaged region to restore structural integrity and thus lengthen its lifespan has become an important issue in recent years. Rotor blades are often repaired using a common technique for composite laminates: adhesively bonded structural repair patches. These methods involve replacing the lost load path with a new material that is joined to the parent structure, and include scarf or plug repairs. However, there currently do not exist any standardized repair procedures for wind turbine rotor blades, as comparisons of blade properties repaired with the existing methods have not been studied in depth. Namely, there is a lack of understanding about the effects of various repair methods on the fatigue life of the shells of rotor blades. This study therefore aims to begin to fill this knowledge gap by testing the influence of different repair patches on the blades’ mechanical properties. Manufactured with the vacuum-assisted resin infusion process, the test specimens are produced as a curved structure with GFRP sandwiching a polyvinyl chloride foam core to best represent a portion of a rotor blade shell. Scarf repairs are then introduced with varying layup techniques, and material properties are examined with cyclical fatigue tests. Crack growth and development is monitored during fatigue testing by various non-destructive testing methods, including passive thermography with an infrared camera system, and a 3D deformation analysis system with ARAMIS. Large deformation fields and detection of in- and out-of-plane deformations is thus possible in-situ. The mechanical behavior and development of defects in the various repaired specimens is compared to each other as well as to reference test specimens with no repair patches. In-situ test data is combined with further non-destructive testing methods, including laminography, and active thermography, to develop a robust understanding of the effects of repair concepts.