Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Prolonging structural integrity—Fatigue of scarf repairs for wind turbine blade shell applications
(2023)
The influence of scarf repair variables on the mechanical properties of glass fiber reinforced polymer sandwich structures is examined for the application of wind turbine blade shell repairs. Reference shell specimens are tested under fully-reversed cyclic loading to understand the fatigue behavior of the sub-component structure within a range of in-service loads, to which shell specimens with a scarf joint repair are compared. A fatiguesuperior repair material is shown to improve the fatigue behavior of the repaired structures compared to the reference specimens. In separating layup and geometry, damage development is examined on the subcomponent scale for a structural understanding of a scarf repair using in-situ digital image correlation-based strain field measurements as well as passive thermography. Within scarf repair variables, the geometry is shown to play a larger role than layup in the fatigue performance of the repaired structure.
In this study, the influence of aging and mean stress on fatigue of the aluminium-alloy EN AW-2618A is investigated. Therefore axial fatigue tests are carried out on smooth specimens. The experiments show that the fatigue life decreases with increasing mean stress. Furthermore, the tests with the overaged specimens demonstrate that the number of cycles to failure is decreasing with increasing aging time.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) allow the fabrication of lightweight near net shape AlSi10Mg components attractive to the aerospace, automotive, biomedical and military industries. During the build-up process, high cooling rates occur. Thus, L-PBF AlSi10Mg alloys exhibit a Si-nanostructure in the as-built condition, which leads to superior mechanical properties compared to conventional cast materials. At the same time, such high thermal gradients generally involve a deleterious residual stress (RS) state that needs to be assessed during the design process, before placing a component in service. To this purpose post-process heat treatments are commonly performed to relieve detrimental RS. In this contribution two low-temperature stress-relief heat treatments (SRHT) are studied and compared with the as-built state: a SRHT at 265°C for 1 hour and a SRHT at 300°C for 2 hours. At these temperatures microstructural changes occur. In the as-built state, Si atoms are supersaturated in the α-aluminium matrix, which is enveloped by a eutectic Si-network. At 265°C the Si precipitation from the matrix to the pre-existing network is triggered. Thereafter, above 295°C the fragmentation and spheroidization of the Si branches takes place, presumably by Al–Si interdiffusion. After 2 hours the original eutectic network is completely replaced by uniformly distributed blocky particles. The effect of the heat and the microstructure modification on the RS state and the fatigue properties is investigated. Energy dispersive x-ray and neutron diffraction are combined to investigate the near-surface and bulk RS state of a L-PBF AlSi10Mg material. Differences in the endurance limit are evaluated experimentally by high cycle fatigue (HCF) tests and cyclic R-curve determination.
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.
In the framework of the fatigue assessment of welded components, several methods are available in design standards such as the nominal stress, hot-spot stress, notch stress and linear elastic fracture mechanics approaches. The present paper aims at comparing two advanced local approaches for the fatigue strength assessment of different welded joints made of steel. The first one is IBESS which is based on short crack fracture mechanics. The second one is the PSM which instead involves the strain energy density approach. Both methods will be briefly presented, and the fatigue life prediction results discussed. The results obtained for the joint geometries considered in this work show advantages and drawbacks of the approaches, which are thoroughly analysed as well.
Additive manufacturing (AM) is becoming increasingly important in engineering applications due to the possibility of producing components with a high geometrical complexity allowing for optimized forms with respect to the in-service functionality. Despite the promising potential, AM components are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-properties-performance relationship. This work aims at providing a full characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. To this purpose, a set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and subsequently heat treated at 900 °C for 1 hour for complete stress relief, whereas a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. Low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) tests have been conducted for characterizing the fatigue behavior. The L-PBF material had a higher fatigue limit and better finite life performance compared to wrought material. Both, LCF and HCF-testing revealed an extensive cyclic softening.
CHG is very different compared to other graphite degenerations or defects;
Filigree, multi-branched string-like, 3d interconnected structure;
Morphology and volumetric amount of CHG cannot be accessed by stereological interpretation of 2d section data;
Field-tested, technically established method to quantify CHG in components not available;
Fatigue: CHG causes substantial reduction in fatigue limit and significant increase in crack growth rate;
Therefore: Avoid or exclude CHG!
Die „auffälligen großen Streifen“ sind von echten Schwingstreifen nur sehr schwer zu trennen, weil sie parallel zu den Schwingstreifen verlaufen und meistens ebenfalls nicht sehr groß sind. Die im Labor getesteten Proben zeigten, dass diese großen Streifen zusammen mit Verreibungen auftraten und „tire tracks“ („Reifenspuren“) verursachten. Dies wurde durch eine hochauflösende REM-Untersuchung bestätigt, die „tire tracks“ auf den „großen Streifen“ zeigte. Ein weiterer Hinweis ist die Änderung des R-Werts von -1 auf 0,1, was zu einer Bruchfläche ohne große Streifen und „tire tracks“ führt.
Additively Manufactured (AM) parts are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-propertiesperformance relationship. This work aims at providing a characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. A set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. The L-PBF material shows a higher fatigue limit and better finite life performance compared to the wrought material, accompanied by an extensive amount of cyclic softening.
Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert.
Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann.
Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich.