Einfluss von Fertigungsfehlern auf die Rissbildung in FKV

17.03.2016
EINFLUSS VON FERTIGUNGSFEHLERN AUF DIE RISSBILDUNG
IN FKV-SANDWICH-SCHALENSTRUKTUREN
OFFSHORETAGE 17.03 - 18.03.2016, TU Berlin
D. Nielow, Prof. Dr.-Ing. V. Trappe
Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM)
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Einfluss von Fertigungsfehlern auf die Rissbildung von FKV-Sandwich-Schalenstrukturen
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Gliederung
Motivation
Der Schalenprüfstand
Schalenprüfkörper
Zerstörungsfreie Zustandsüberwachung
Experiment – ZfP in-situ Schwingfestigkeit
Design-Empfehlungen
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Motivation
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Motivation
- während des Betriebes bilden sich häufig Risse in der
Blattschale
- 70% - 80% der Schäden sind die Folge von fertigungsbedingte Imperfektionen
- durch Witterungseinflüsse kommt es meist zum
Schadensfortschritt
- Folgen: Stillstand der Anlage und kostenintensive
Reparaturen am montierten Rotorblatt
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Motivation
- Komponentenversuche an Schalenstrukturen
- dadurch deutlich reduzierter Versuchsaufwand
- Schalenprüfkörper werden nach dem
Vorbild des realen Rotorblattes umgesetzt
- herstellungsbedingte Imperfektionen
werden eingebracht
- Ziel: Schwingversuche zur Beurteilung
der Auswirkung auf die Schwingfestigkeit
(effects of defects)
schematische Darstellung Schalenprüfkörper
Bild: Bayer AG, www.produktion.de, 19.07.2013
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Der Schalenprüfstand
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Der Schalenprüfstand
Entwicklungsziele:
– Integration in eine 500 kN Axialprüfmaschine
– Einspannung für gekrümmte Prüfkörper
– Variation Prüfkörperdicke und Krümmung
– möglichst homogenes Dehnungsfeld im
Prüfkörper
– Integration der zerstörungsfreien
Zustandsüberwachung
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Der Schalenprüfstand
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Der Schalenprüfkörper
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Der Schalenprüfkörper - Konzept
Abmessungen:
Krümmungsverhältnis:
Mittelradius:
810 mm x 510 mm
1 : 10
650 mm
Materialien:
BIAX-Gelege (800 g/m²)
PVC-Schaumkern 10 mm (Airex C70.55)
Epoxidharz RIM135/H137
Fertigungsverfahren:
Infusionsverfahren VARI (Vacuum assisted Resin Infusion)
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Der Schalenprüfkörper - Imperfektionen
Schaumstoß:
- Rotorblatt: Stoßstellen im Stützwerkstoff
infolge der kleinen Halbzeug-abmessungen
- Variation der Schaumstoßbreite
3mm
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5mm
7mm
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Der Schalenprüfkörper - Imperfektionen
Lagenstöße der Decklagen:
- Rotorblatt: Überlappung der textilen Halbzeuge aufgrund der Bauteilgröße
und der begrenzten Halbzeugabmessungen
Lagenstoß kurz
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Der Schalenprüfkörper - Fertigung
– Entwicklung eines einseitigen
Fertigungswerkzeuges
– Variation der Schalendicke bei
konstantem Mittelradius
– Bohrschablone für die Einbringung
des exakten Bohrbildes
Fertigungswerkzeug für die Schalenfertigung
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Der Schalenprüfkörper - Fertigung
– Fertigung der Schalenprüfkörper bei SINOI
Belegen des Werkzeuges eingebrachter Schaumkern
Einbringung des Bohrbildes
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Entformen
vollständiger Lagenaufbau
fertiger Vakuumaufbau
Besäumter Prüfkörper
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fertiger Prüfkörper
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Zerstörungsfreie Zustandsüberwachung
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zerstörungsfreie Zustandsüberwachung
– für die Versuche wurde eine
kombinierte Zustandsüberwachung
mittels Thermografie und 3DFelddehnungsmessung angewendet
– beide Systeme wurden im Prüfstand
integriert und automatisiert ausgelöst
ARAMIS-System
mit Beleuchtung
Thermografiekamera
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zerstörungsfreie Zustandsüberwachung Thermografie
– Thermografiekamerasystem IR 8300 (Infratec)
– System für Labor- und Forschungsanwendungen
– Für die Überwachung von Schwingversuchen
eignet sich die passive Thermografie sehr gut
Thermogramm, doppelter Lagenstoß
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zerstörungsfreie Zustandsüberwachung – 3 D
Felddehnungsmessung
– 5 M ARAMIS Messsystem (GOM)
– ARAMIS greift dort an wo die DMS an die
Grenzen stoßen
– Erfassung größerer Verformungsfelder
– Dokumentation von Stabilitätsversagen (Beulen)
ist möglich
5 M ARAMIS Messsystem
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zerstörungsfreie Prüfung – TU Berlin
– Ultraschall Scan der ungeschädigten Schalenprüfkörper (3 mm Schaumstoß) an der TU Berlin
– Harzkanal im Ultraschall C-Bild (mit erhöhter
Amplitundenauflösung) erkennbar
BAM_SI_7
– Geometrievermessung mit dem COMET-System
(Steinbichler) an der TU Berlin
– Geometrische Abweichung aus Vergleich
Messung und CAD Modell
– geringe Abweichungen max. ± 0,800 mm
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BAM_SI_7
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Schwingversuche an Schalenprüfkörpern
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Schwingversuche
– Schwingversuche bei R = -1
– Einstufen- und Mehrstufen-Versuche
– Einstufen-Versuch bei 2 ‰, 3 ‰
– Mehrstufenversuch bei 2 ‰ + 3‰
Prüfparameter:
- 2 ‰ (35 kN), Frequenz 3 Hz
- 3 ‰ (49 kN), Frequenz 1,5 Hz
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Schwingversuche
– Schwingversuche bei R = -1
– Einstufen- und Mehrstufen-Versuche
– Einstufen-Versuch bei 2 ‰, 3 ‰
– Mehrstufenversuch bei 2 ‰ + 3‰
Prüfparameter:
- 2 ‰ (35 kN), Frequenz 3 Hz
- 3 ‰(49 kN), Frequenz 1,5 Hz
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Schwingversuche - Referenzprüfkörper
– Mehrstufen-Schwingversuch:
– 2 ‰ 1*107 CY deutliche Schädigung im Laminat, aber kein Versagen
– 3 ‰ Versagen nach 11500 CY
Dehnungsfeld, ARAMIS
9000 Lastwechsel vor Versagen
Nach 1*107 CY
Dehnungsfeld, ARAMIS
Versuch 3 ‰, 1000 CY
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Dehnungsfeld, ARAMIS
11000 Lastwechsel
Nach Versagen
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Schwingversuche – einfacher Lagenstoß
– einfacher Lagenstoß
– Einstufen-Schwingversuch bei 3 ‰
Vorderseite
Nach Versagen
Thermogramm
kurz vor Versagen
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Dehnungsfeld (ARAMIS)
Nach 4000 Lastwechsel
Dehnungsfeld (ARAMIS)
kurz vor Versagen
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Rückseite nach
Versagen
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Schwingversuche – 7 mm Schaumstoß
– Mehrstufen-Schwingversuch 2 ‰ 380000 CY keine Schäden
– bei 3 ‰ Versagen nach 64000 CY
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Schwingversuche – Zusammenfassung
Ranking Imperfektion
Bemerkung
1
Kurzer Lagenstoß
besonders kritisch, schwächt die Ermüdungsfestigkeit
bzw. Lebensdauer im besonderen Maße
2
Doppelter Lagenstoß kritisch, reduziert die Lebenserwartung deutlich
3
7 mm Schaumstoß
5 mm Schaumstoß
Einfluss auf das Ermüdungsverhalten, Schwächung
der Lebenserwartung,weitere Versuche notwendig um
eine Abstufung der Imperfektionen herauszustellen
4
3 mm Schaumstoß
geringster Einfluss, ist als unkritisch einzustufen
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Erkenntnisse aus den Versuchen
Empfehlungen für den Rotorblattbau
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Design- Empfehlungen
Versuche lassen deutliche Empfehlungen für die Konstruktion
von FVK-Bauteilen zu:
– Lagenstoß - Textile Halbzeuge mindestens 50 mm überlappen
– Doppelte Überlappungen vermeiden
– Schaumstöße von mehr als 5 mm Breite verhindern
Ausblick: Numerische Modellierung der Imperfektionen und Kalibrierung an
den Versuchsdaten wird verfeinerte Design-Regeln liefern.
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Vielen Dank
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Anhang
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zerstörungsfreie Zustandsüberwachung – 3 D
Felddehnungsmessung-ANAHNG
– Messprinzip 5 M ARAMIS Messsystem (GOM)
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zerstörungsfreie Zustandsüberwachung –
MUSE Scan
Ultraschall C-Bild mittels Muse Z400 des Prüfkörpers
Muse Scan Schalenprüfkörper mit
BAM_SI_7
mit angepasster Amplitudenskala
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