Micromechanics based modeling and condition monitoring of rotor blade

MIMIC is een acroniem voor ‘Micromechanics-based modelling and condition monitoring of wind turbine rotor blade composites’.

Het ontwerp van composietconstructies zoals windturbinebladen gebeurt op basis van macroscopische materiaalgegevens, die bijvoorbeeld uit trek- en vermoeiingsproeven zijn afgeleid. Het materiaalgedrag hangt echter in grote mate af van de microscopische structuur van de composieten, zoals de vezelarchitectuur, de interactie tussen vezel en hars, en de invloed van externe condities (schade, UV-straling, vocht, zout, etc.). Wanneer het mogelijk zou zijn om dit gedrag met een numeriek model te voorspellen, zouden beproevingen beter ontworpen en materiaalkeuzes beter beargumenteerd kunnen worden. Er is al beperkte ervaring met numeriek modelleren op deze schaal, maar de aansluiting met multi-scale modelling en de mogelijkheid om ook vermoeiingsvoorspellingen te kunnen maken staan nog in de kinderschoenen.

Kwantificeren van de hoeveelheid schade in een composiet materiaal constructie kan op vele manieren, bijvoorbeeld visueel, akoestisch, infrarood. Daarnaast kan de invloed van externe condities op diverse lengteschalen worden gemeten. Voor de meeste technieken kan er nog geen conclusie worden getrokken over de mechanische ‘toestand’ van een materiaal en een observatie van een externe invloed. Wanneer die koppeling eenduidig gemaakt zou kunnen worden zou men ‘condition monitoring’ technieken in kunnen zetten voor het helpen voorspellen van de restlevensduur van een materiaal.

In MIMIC worden Condition Monitoring en Micro-mechanical Modelling aan elkaar gekoppeld teneinde een kader te scheppen voor betere levensduurvoorspellingen van composieten voor windturbine-rotorbladen.

De doelstellingen zijn het verbeteren van kennis en begrip van het mechanisch gedrag van composieten, en de ontwikkeling van technieken om de microstructuur van rotorblad composieten, t.b.v. micro-mechanisch modelleren, in kaart te brengen.

Tot nu toe is het zwaartepunt komen te liggen op het multi-scale, multi-physics modelleren van composieten en met name de invloed van vochtopname op de mechanische eigenschappen. Voor validatie van simulatietechnieken als FE2 en Model Order Reduction zijn talrijke proeven gedaan. Naast aan temperatuur en UV-straling, is een representatieve windturbineblad-epoxy glasvezelcomposiet blootgesteld aan water en vervolgens mechanisch getest. Op het gebied van condition monitoring is met diverse methoden geëxperimenteerd, o.a. (akoestische) microscopie. In het laatste jaar zal tevens 3D computertomografie worden gebruikt om microscopische schademechanismen te analyseren.

Fibre fragementation test set-up

Schematic of multi physics diffusion and mechanical model

Influence of water uptake on interlaminar shear strength