Forbedret design af store vindmøllevinger af fiberkompositter

Der ligger en mangeårig tradition for opskaling bag udviklingen af vinger til den størrelse, der benyttes i dag, og denne opskalering har indtil videre ikke resulteret problemer i masseproducerede vinger, idet sådanne fejl identificeres under den afprøvning, der gennemføres i forbindelse med vingegodkendelsen. Men der konstateres et stigende antal utilsigtede svigt i forbindelse med disse vingeprøvninger i form af buling, svigtende limsamlinger samt revner i coating og laminat. Det er i dag ikke muligt at redegøre for disse svigtformer, hverken på mikro- eller makroskala. Afsluttede forskningsprojekter (UVE-51171/96-0038) viser, at manglende kendskab til de anvendte fibermaterialers udmattelsesstyrke udgør langt det største bidrag ((80%) til usikkerheden i forbindelse med vurdering af vindmøllers sikkerhed. Behovet for bedre designgrundlag bliver ikke mindre af, at udviklingen af de store møller med meget lange (35-60 m) vinger kræver, at der tages andre materialer i brug: kompositter med kulfibre eller hybridkompositter (blanding af kulfibre og glasfibre) i stedet for glasfiber kompositter, der har lavere stivhed/vægt forhold. Det er velkendt at styrken af nogle materialer er lavere for store komponenter end for små, fordi der er flere og større fejl i de store komponenter. Dette er en skala-effekt. Limsamlinger kan også udvise skala-effekter. Forskellen i størrelse af prøveemner og vindmøllevinger er meget stor ((105). Der mangler forskning om sammenhænge mellem komponent størrelse og brudmekanismer. Dette projekt sigter på at opnå denne viden. Vindmøllevinger består hovedsagelig af laminater, som er samlet ved limning. Forskellige dele af vingerne er udsat for forskellig belastningshistorie. Nogle steder er belastningen hovedsagelig trækspænding; andre steder er materialerne hovedsagelig udsat for trykbelastning. De fleste samlinger er belastet i blandet mode eller i ren mode II (forskydning). Laminater og samlinger skal designes mod svigt forårsaget af statisk ekstremlast og af vekslende belastning. Det er derfor centralt at studere tre 'skala'-problemer: 1) Skala-effekter ved brud for laminater belastet i tryk. Laminater, der belastes statisk i tryk, f.eks. det bærende laminat under flapvis bøjning eller ved vingens bagkant ved kantvis bøjning, kan gå i stykker ved makrobuling (af laminatet) eller når materialets trykstyrke nås (mikrobuling af fibre). Det er kendt at makrobuling afhænger af komponentgeometri, stivhed og randbetingelser. Mikrobuling initieres bl.a. på steder, hvor fibrene er bølgede. Sandsynligheden for forekomst af områder med bølgende fibre stiger med voksende volumen, så det forventes, at trykstyrken af store komponenter er lavere end trykstyrken af små emner. Dvs. for begge fænomener (mikro- og makro buling) er der skala-effekter. Det er plausibelt, at der kan ske et skift i brudmåde ved en ændring af størrelsen af en komponent. I dette projekt vil problemstillingen blive belyst på flere størrelsesniveauer, fra in situ observationer af skadesmekanismer i skanning elektron mikroskop (SEM), tests af prøveemner af forskellig dimensioner, fra laboratorieprøver over f.eks 6 meter lange sub-size komponenter med vingelignende geometri til test af store vinger. Makrobuling af emner, sub-size komponenter og vinger modelleres med f.eks. finite element metoden. Ud fra de udførte eksperimenter og udviklede modeller vil der blive udviklet metodikker sigtende på implementering i strukturelt design. En sådan model kan f.eks. være en stokastisk finite element beregningsmetode, hvor forsøgsemnets globale egenskaber bestemmes ud fra såvel kendskab til glasfibermaterialets lokalt varierende egenskaber og vingens lokale geometriske udformning (med geometriske inperfektioner). Beregningsresultaterne fra modellerne vil blive sammenlignet med forsøg med store forsøgsemner. 2) Skala-effekter ved brud i laminater belastet i træk. De modeller der anvendes for udmattelsesstyrke, som S-N kurver af fiberkompositter, er empiriske og makroskopiske, fordi de underliggende brudmekanismer ikke er tilstrækkelig velkarakteriserede og modelleret. Fiberkompositter har en stor spredning i udmattelseslevetiden; det kan beskrives ved statistiske metoder. Normalt benyttes små prøveemner (længde ( 10-30 cm) til karakterisering af materialers levetid, men disse levetidsdata skal skaleres til store komponenter (længde ( 30-60 m), f.eks. gennem 'weakest link' modeller. Skala-effekter undersøges dels gennem statistiske metoder, dels gennem studier af brudmekanismer og levetid. Hvis brudmekanismerne kendes, kan skala-effekterne også modelleres. 3) Skala-effekter ved styrke af limsamlinger. Ved fremstilling af vinger er det næsten uundgåeligt, at hovedkomponenterne skal samles ved brug af limsamlinger. Det er kendt, at hvis fibre fra laminatoverfladen stikker ind i limen, øges samlingens styrke. Det gælder især overfor såkaldt 'peel' belastning, som bl.a. opstår i vingens bagkant samt i bjælke/skal samlinger. Generelt er samlinger udsat for en kombination af 'peel' (mode I) og forskydningsbelastning (mode II). Udvikling af nye limsamlinger kræver indsigt i, hvordan samlingens energioptagelse maksimeres. Vigtige spørgsmål er: Hvordan er effekten af fiber brodannelse under revnevækst under blandet mode? Hvordan kan data fra små prøveemner overføres til store limsamlinger? Brodannelse antages at kunne karakteriseres med en (kohæsiv lov) materialelov. Brudmekanismer karakteriseres ved revnevækst forsøg i SEM. Der udvikles brudmekanisme modeller af de observerede mekanismer. Fremgangsmåden vil uden videre kunne overføres til at karakterisere modstand mod inter- og intralaminar revnevækst i laminater. Forventede resultater Projektet forventes at give følgende resultater: (i) Design procedurer til design mod makro buling kritiske steder på vindmøllevinger, herunder skala-effekter, f.eks. kriterier for, hvornår buling sker, før materialets trykstyrke nås, (ii) udvikling af statistiske skaleringslove for udmattelsesdata, og (iii) udvikling af design og test metoder til limsamlinger med fiber brodannelse. Detaljeret plan for første år Vi foreslår, at der det første halve år hovedsagelig arbejdes på to problemstillinger: (1) buling-problemer i fiberkompositter under trykbelastning og (2) styrke af limsamlinger. Bulingsproblematikken dækker trykbrud på materialeniveau (mikrobuling af fibre), laminatniveau og bjælke/vinge niveau. Følgende mål opstilles for bulingsproblematiken: (1) Opbygning af model der kan vurdere betydningen af imperfektioner, skalaeffekter og interaktion mellem de forskellige buleformer, og (2) udførelse af forsøg hvor bulingseffekter undersøges i forhold til de forskellige mekanismer. Forsøg planlægges således at de forskellige bulingsformer kan observeres. Dette sker ved passende design/belastning. Styrke af limsamlinger dækker studier fra materialeniveau (f.eks. undersøgelse af revner med fiber-brodannelse) over model-forsøg til store limsamlinger. Belastningen varieres fra ren mode I ('peel') over blandet mode til mode II (tangentiel forskydning af revnefladerne). Et mål er at kunne forudsige styrken af store limsamlinger ud fra målinger på små prøveemner, også for problemstillinger hvori der indgår fiberbrodannelse. Faser: Analyse af skadestyper i vinger. Ved gennemgang af resultaterne fra Profar-projektet og ved at studere erfaringer fra forsøg med store vinger ved Sparkærcenteret og skader på vinger der har været i drift, kan der fokuseres på de kritiske punkter i forhold til vingernes strukturelle design og materialeproblemer. Her fokuseres der specielt på buling og limsamlinger. (marts-maj) Klassificering af observerede bulings fænomener. Gennem analyse af de forskellige skadestyper klassificeres de observerede bulingsfænomener. Denne klassificering danner udgangspunktet for valg af prøveemnegeometri og belastningsmåde. (marts-maj) Klassificering af limsamlinger. Gennem analyse af geometri og belastning inddeles limsamlingerne i vindmøllevinger i karakteristiske typer, som danner udgangspunktet for valg af prøveemnegeometri og belastningsmåde. (marts-maj) Analyse af fremstillingsmuligheder af elementer og prøveemner til undersøgelse af buling og limsamlinger. Sideløbende med at det undersøges, hvilke problemstillinger der er væsentlige, vil det blive vurderet, hvilke (reference)materialer og fremstillingsmetoder der skal anvendes i projektet. Målet er, at vælge prøveemne/komponent udformninger, der fremstillingsmæssigt er gennemførlige. (marts-maj) Modeller af makrokopiske effekter. Ud fra erfaringer med brud vil der blive udviklet metodikker sigtende på implementering i strukturelt design. En sådan model vil bl.a.være en stokastisk FEM beregningsmetode, hvor emnets globale bulingsegenskaber bestemmes ud fra kendskab til glasfibermaterialets lokalt varierende egenskaber, fiberorientering og vingens lokale geometriske udformning (med geometriske imperfektioner). Andre modeller bruges til beregning af styrke af limsamlinger, der har fiberbrodannelse, udsat for blandet mode. Beregningsresultaterne fra modellerne vil blive sammenlignet med forsøg på emner af forskellig størrelse og udformning. (marts-...) Milepæl: For buling og limsamlinger vælges idealiserede problemstillinger 'elementarproblemer' test/model-geometrier, variable, testmetode: kupon, laminat, bjælke. (* maj) Milepæl: Buling og limsamlinger i vindmøllevinger opdeles i typer. (* maj) Fremstilling af elementer og prøveemner. Der fremstilles prøveemner i forskellige størrelser til bulingsforsøg, med det formål at kunne fremprovokere forskellige bulingsformer. Emnegeometri opmåles, og emnerne instrumenteres. Der fremstilles ligeledes små og store emner til limsamlingstest. (juli-okt.) Makrotests. Forsøg (bulingsforsøg, brudmekanisk styrke af limsamlinger) udføres på store emner, laminater og komponent(dele) i VEAs hal og på Sparkærcenteret. Resultaterne sammenlignes med forudsigelser fra modeller. (nov.-....) Prøveemnetest. Ved trykforsøg på små emner (hvor fiberretning og variationer i fiberretningen opmåles på forhånd) bestemmelse af trykstyrke forårsaget af mikrobuling, dvs. buling af fibre og fiberbundter. Der udføres brudmekanisk forsøg på små limsamlinger. Effekt af fiberbrodannelse og mode-forhold undersøges. (nov.-....) Milepæl: Demonstration af at buling på forskellig skala forudsagt med FEM modeller: kan fremprovokeres eksperimentelt på forskellig skala (* dec)