SensoTwin – Sensorintegrierter Digital Twin für Hochleistungs-Faserverbundanwendungen
Das Ermüdungsverhalten von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) wird unter Berücksichtigung prozessinduzierter Defekte untersucht, um mithilfe Digitaler Zwillinge und einer neu entwickelten Materialontologie die Restlebensdauer lasttragender Strukturen einer Windkraftanlage zu bestimmen.
Projektpartner
Technische Hochschule Deggendorf – Technologiecampus Hutthurm, Technische Hochschule Deggendorf – Institut für Angewandte Informatik
Laufzeit
01.02.2021 – 31.01.2024
Fördergeber
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Motivation
FVK finden häufig Anwendung bei der Herstellung tragender Strukturen in Windkraftanlagen. Aufgrund der wechselnden Belastungszustände in diesen Strukturen, z.B. den Rotorblättern, kommt es zu einer fortwährenden Veränderung des Materials – der Ermüdung. Diese kann die Funktionsfähigkeit der gesamten Anlage beeinträchtigen. Nach dem Aufschwung der Windenergie in den vergangenen Jahrzehnten sinkt aktuell die Anzahl an neu installierten Kapazitäten in Deutschland. Zusätzlich erreichen in den kommenden Jahren zunehmend mehr Windkraftanlagen das Ende ihrer Lebensdauer. Mit den digitalen Werkzeugen dieses Projekts soll eine Möglichkeit geschaffen werden, die Betriebsfestigkeit von FVKs prädiktiv zu bestimmen und damit eine Rezertifizierung der Windkraftanlagen (welche einen Weiterbetrieb ermöglicht) zu erleichtern.
Vorgehen
Als Grundlage für eine lebensdauerumfassende Materialmodellierung wird das Ermüdungsverhalten von FVK hinsichtlich der Elastizität und Festigkeit unter variierenden Umgebungsbedingungen experimentell charakterisiert. Von der mikromechanischen Prüfung des Verbundwerkstoffs bis hin zur Prüfung eines Blattwurzel-Demonstrators der Windkraftanlage werden alle erforderlichen technischen Parameter für das entsprechende Materialmodell ermittelt. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird ein skalenübergreifendes Materialmodell für FVK etabliert, welches neben der statischen Festigkeit auch die Betriebsfestigkeit berücksichtigt. Eine anschließende Überführung dieses holistischen Modellansatzes in eine Materialontologie dient als Grundlage für eine neu entwickelte Software-App. Die App bezieht prozessinduzierte Defekte durch eine Prozesssimulation und einen Mapping-Algorithmus in eine anschließende Struktursimulation ein. Einheitliche Datenaustauschformate (z.B. HDF5) ermöglichen zusätzlich die Einspeisung von realen Sensordaten in den Berechnungsprozess. Eine Validierung wird abschließend mithilfe eines Blattwurzeldemonstrators einer Windkraftanlage (einem sensorintegrierten Zwilling des digitalen Modells) durchgeführt.
Der TUM-LCC tritt in diesem Verbundprojekt der Initiative MaterialDigital als Konsortialführer auf. Der Fokus des Lehrstuhls liegt auf der experimentellen Charakterisierung sowie der Struktursimulation des Verbundwerkstoffs unter Berücksichtigung prozessinduzierter Defekte. Die Validierung der Restlebensdauerberechnung findet ebenfalls am TUM-LCC statt.
Danksagung
Der Lehrstuhl bedankt sich für die Förderung des Projektes „Sensorintegrierter Digital Twin für Hochleistungs-Faserverbundanwendungen – SensoTwin“, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung in der Initiative „Digitalisierung der Materialforschung in Deutschland – MaterialDigital“ gewährt wurde (Förderkennzeichen: 13XP5121A).
Ansprechpartner
Alexander Seidel, M.Sc.; Dr.-Ing. Swen Zaremba