Mehrskalige Versagensanaly­se unter polymorphen Unsicherheiten für das optimale Design von Rotorblättern

Zusammenfassung der geplanten Projektinhalte unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus der ersten Bearbeitungsphase

Das Ziel des Projekts ist die Identifikation polymorpher Unschärfen beim Strukturdesign von Rotorblättern und die Entwicklung von nichtdeterministischen Mehrskalenmodellen (in Raum und Zeit) mit entsprechenden effizienten numerischen Verfahren, die diese Unschärfen in die typische Kette „Design – Test – Implementation – Wartung“ integrieren. Für die Analyse von Biege- und Schubbeanspruchungen der Tragstruktur eines Rotorblattes unter Windlasten wird eine neue repräsentative Subkomponente mit kastenförmigen Profil definiert.

Während der Hauptfokus in der ersten Projektphase auf den Verklebungen innerhalb eines Rotorblattes lag, wird der Schwerpunkt der zweiten Projektphase auf unterschiedliche Versagensmechanismen der kritischen Komponenten wie Rissbildung, Enthaftung, Beulen und Ermüdung gesetzt.
Als erstes werden die Unschärfen in einer repräsentativen Subkomponente umfassend analysiert, um anschließend numerische Vorhersagen validieren zu können. Diese Subkomponente wird auf traditionelle Art und Weise entworfen und hergestellt. Die vorhandenen Unschärfen werden mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfP) identifiziert und gemessen.

Das zweite Ziel ist die Entwicklung nichtdeterministischer Modelle unter polymorpher Unschärfe für Rissbildung, Enthaftung, Beulen und niederzyklische Ermüdung einschließlich ihrer Wechselwirkungen. Diese Modelle werden in ein parametrisches Strukturmodell auf Makroskala implementiert, welches in der Lage ist, das Verhalten bei niederzyklischer Ermüdungsbeanspruchung zu simulieren. Die dazugehörige zyklische quasi-statische Belastungsfunktion wird aus bekannten repräsentativen Lastkollektiven für Rotorblätter abgeleitet, welche die Betriebslasten während der gesamten Lebensdauer simulieren.

Die gleiche quasi-statische Belastung wird experimentell auf die Subkomponente bis zum Versagen aufgebracht. Dabei werden optische, faseroptische und traditionelle Messverfahren zur Bestimmung von Strukturantworten verwendet. Das dritte Ziel ist die Entwicklung von Ansätzen zur Datenassimilation unter polymorpher Unschärfe und deren Anwendung auf das numerische Modell unter Verwendung der gewonnenen Messdaten. Die wesentlichen Unsicherheiten können damit voraussichtlich richtig quantifiziert und minimiert werden.

Das vierte Ziel ist die Topologie-, Form- und Querschnittsoptimierung der klassisch hergestellten Subkomponente durch Verwendung des validierten parametrischen Modells. Die Entwicklung geeigneter Methoden zur Strukturoptimierung unter polymorpher Unschärfe ist eine zusätzliche Herausforderung.

Das robuste optimale Design der Subkomponente wird schließlich mit dem ursprünglichen, klassischen Vorentwurf verglichen. Auf dieser Grundlage kann die Rolle der polymorphen Unschärfe in der gesamten Kette "Entwurf, Modellierung, Prüfung und Optimierung" direkt sichtbar und messbar werden. Diese einzigartige Möglichkeit ist die wesentliche Besonderheit des Projekts.

Wesentliche Projektziele

• Entwicklung eines klassischen Vorentwurfs für eine repräsentative Subkomponente

• Zerstörungsfreie Prüfung zur Ermittlung von strukturellen und geometrischen Imperfektionen

• Entwicklung eines parametrischen 3D-Mehrskalenmodells

• Untersuchungen verschiedener Versagensmechanismen (Rissversagen, Enthaftung, Beulen, Ermüdung)

• Lebensdauerversuche unter niederzyklischer Ermüdungsbelastung im Rahmen eines Vierpunktbiegeversuchs

• Datenassimilation unter polymorpher Unschärfe

• Designoptimierung unter polymorpher Unschärfe

• Verifizierung des robusten Strukturentwurfs