Adaption und Erprobung eines Schadensfrüherkennungs- und Lastmonitoringsystems für Faserverbund-Rotorblätter von Windenergieanlagen
Stephan Zerbst und Raimund Rolfes
Im Rahmen dieses BMU-Teilprojekts wurde ein Schadensfrüherkennungs- und Lastmonitoringsystem für Rotorblätter entwickelt, dass speziell auf die extremen Umgebungsbedingungen in einem Rotorblatt einer Windenergieanlage angepasst wurde. Große klimatische Schwankungen sowie die immer gegebene Gefahr eines Blitzeinschlages, erfordern vor allem eine robuste Messtechnik aber auch eine zuverlässige Methodik, um Fehlalarme zu vermeiden. Zu diesem Zweck haben sich das Institut für Statik und Dynamik (ISD) und die Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (HBM) zusammengetan, um in enger Zusammenarbeit mit der REpower Systems AG eine leistungsfähige Methode und einen speziell für diesen Zweck geeignetes Sensorsystem zu entwickeln.
Bis heute ist der Fertigungsprozess von Rotorblättern wenig automatisiert, was teilweise zu starken Qualitätsunterschieden in der Verarbeitung der GFK-Großstrukturen führt. Darüber hinaus sind aber auch natürliche Ereignisse wie Starkböen und Blitzschlag häufige Ursachen für Schäden in unterschiedlichen Bereichen der Blattstruktur. Ein geeignetes Schadensfrüherkennungssystem soll dazu dienen, entstehende Schäden früh genug erkennen zu können, bevor der Aufwand einer Reparatur zu groß wird bzw. ein Verlust eines Blattes hingenommen werden muss. Als zusätzliches Feature kann das System, das gleichzeitig die Maximalamplituden aus Dehnung und Verschiebung aufzeichnet, für die Optimierung der Bemessung von Rotorblättern wertvolle Dienste leisten.
Im Jahr 2009 wurden Langzeitversuche auf einem Rotorblatt-Teststand in Dänemark gestartet, die einen ca. 50m langen Prototypen während Ermüdungstests begleitet hat. Ziel der Versuche waren die Erprobung der eingesetzten Messtechnik auf ihre Dauerhaftigkeit sowie die Konsistenz der Methodik über einen Zeitraum von mehreren Monaten. Parallel dazu wurden intensive FE-Simulationen eines 45m langen Rotorblattes am RRZN durchgeführt, in denen diese Tests nachgestellt wurden. Es konnte in beiden Fällen gezeigt werden, dass die angewandet Methode in der Lage ist, beginnende Schäden sehr viel eher anzuzeigen, als das herkömmliche eigenfrequenzbasierte Methoden vermögen.
Seit November 2010 ist ein Messsystem in einem Rotorblatt einer Repower 3.XM in der Nähe von Husum installiert. Dieser finale Praxistest soll dazu dienen, das System zur Marktreife zu führen.
Gefördert durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU). Koordiniert durch den Projektträger Jülich (PTJ). Laufzeit 2007 – 2010.
Weitere Informationen:
- Institut für Statik und Dynamik
- Zerbst, S.; Haake, G.; Reetz, J.; Lynch, J.; Rolfes, R.: Integral SHM-System for Offshore Wind Turbines using Smart Wireless Sensors, Proceedings of the 6th International Workshop of Structural Health Monitoring 2007, Volume 2, p. 1889-1896, San Francisco, Sept. 11-14, 2007.
-
Zerbst, S.; Knops, M.; Haase, K.-H.; Rolfes, R.: "Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windkraftanlagen", Leightweight Design - Fachzeitschrift für den Leichtbau bewegter Massen, Ausgabe 04/2010, August 2010.
Molekulardynamische Finite Elemente Simulationen zur Optimierung der Eigenschaften von Faserverbundmaterialien
Andreas Kempe, Lutz Nasdala und Raimund Rolfes
Faserverstärkte Kunststoffe haben Einzug in viele Bereiche des modernen Leichtbaus (Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Windkraftanlagen etc.) gehalten. Die Möglichkeit der gezielten Ausrichtung der Fasern und das geringe Gewicht sind Aspekte die ein hohes Innovationspotential mit sich bringen. Dennoch ergeben sich insbesondere bei den Matrixwerkstoffen, die für die Kopplung der Fasern sorgen, z.T. noch Defizite, die Auswirkungen auf die Bauteilqualität haben. Das virtuelle Institut „Nanotechnology in Polymer
Composites“ hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen die mittels Injektionstechnologie gefertigt wurden, durch die Integration von Nanopartikeln gezielt zu optimieren. Angefangen bei den Oberflächen der Nanopartikel bis hin zum Faserverbundbauteil, werden alle Prozesse detailliert beleuchtet und optimiert. So konnten durch das Einbringen von Nanopartikeln z.T. deutliche Verbesserungen der Materialeigenschaften erzielt werden. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften sind neben gesteigerten Zugsteifigkeiten und Festigkeiten insbesondere die um ca. 20% gesteigerten Druckfestigkeiten hervorzuheben. Die Gründe für diese Verbesserungen sind bisher erst in Ansätzen verstanden und Gegenstand der Forschung. Am Institut für Statik und Dynamik werden im Rahmen des Projektes atomistische Simulationsmethoden eingesetzt, um die Wirkmechanismen der Partikel im Verbund besser zu verstehen und gezielt zu beeinflussen.
Die molekulardynamische Finite Elemente Methode (MDFEM) bietet die Möglichkeit der Simulation von Nanostrukturen im Rahmen der FEM. Zu diesem Zweck wurden spezielle molekulardynamische Finite Elemente auf Basis der klassischen Moleküldynamik hergeleitet und in die Finite Elemente Programme Abaqus und FEAP implementiert. Mit Hilfe dieser Elemente konnten die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren und Elastomeren (Abb. 1) berechnet und analysiert werden. Die in den Last-Verschiebungskurven von Elastomeren unter zyklischem Zug auftretenden Hystereseschleifen konnten dabei auf die dynamische Umlagerung der Polymerketten zurückgeführt werden. MDFEM Berechnungen von größeren atomaren Strukturen stellen größere Anforderungen an Rechenleistung und Arbeitsspeicher, die mit den Compute-Servern am RRZN mittels Parallelrechnungen effizient bewältigt werden.
Für nanopartikelverstärkte Epoxidharze, die Matrixmaterialien der neuen Verbunde, wird derzeit ein spezielles Multiskalenmodell entwickelt, bei dem molekulardynamische und klassische Finite Elemente kombiniert werden, um eine hohe Effizienz zu erzielen und größere Materialausschnitte zu berechnen. Unter Verwendung dieser Modelle werden nun eine Vielzahl von Simulationen mit unterschiedlichen Parametern am RRZN durchgeführt. Diese Berechnungen helfen dabei, den Einfluss der Partikelgröße und -abstände sowie der Partikel-Matrix Anbindung auf die Verbundeigenschaften besser zu verstehen.
Veröffentlichungen:
- Nasdala, L., Kempe, A., & Rolfes, R. (2010).
The Molecular Dynamic Finite Element Method (MDFEM).
CMC: Computers, Materials & Continua, 19(1), S. 57-104. - Kempe, A; Nasdala, L.; Rolfes, R.
Atomistische Modellierung und Simulation von Nanokompositmaterialien
In: Faserverbundwerkstoffe -- Technologie & Anwendung,
Tagungsband 16. Nationales Symposium SAMPE Deutschland e.V.
Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik, TU Clausthal, S. 43-45 (2010) - Rolfes, R.; Kempe, A.; Nasdala, L. (2010).
Skalenübergreifende Simulation der mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxid-Nanopartikeln in Epoxidharz.
In: Nanotechnologie für Faserkunststoffverbunde, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, S.32-33
Weitere Informationen:
Ansprechpartner:
M.Sc. Andreas Kempe, Prof. Dr.-Ing. Raimund Rolfes
Institut für Statik und Dynamik (ISD)
Appelstraße 9a
30167 Hannover
Tel. +49 511 762 4207
E-Mail: a.kempe
isd.uni-hannover.de
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