Forschungsprojekte – Institut für Statik und Dynamik

Ermüdung

Analyse und Modellierung des Schädigungsverhaltens faserverstärkter Kunststoffe bei zyklischer Beanspruchung mit Lastrichtungsumkehr

Gegenstand dieses Verbund-Forschungsvorhabens (ISD - Leibniz Universität Hannover, ILK - TU Dresden, IKV - RWTH Aachen, IPC - TU Hamburg-Harburg) ist die Untersuchung der auf unterschiedlichen Skalen ablaufenden Schädigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen bei Schwingbeanspruchung mit Lastrichtungsumkehr. Der Fokus liegt auf der physikalisch basierten Verallgemeinerung vorhandener Schädigungsevolutionsmodelle als essenzieller Bestandteil der Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von faserverstärkten Bauteilen. Die Art und Ausprägung von Schädigung bei zyklischer Belastung wird, unabhängig von der betrachteten Skalenebene, vor allem von der aufgeprägten Mittelspannung und Amplitude und damit von der Orientierung des variierenden Lastvektors bezüglich der Faserrichtung bestimmt. Im Forschungsvorhaben werden hierzu die Schädigungsphänomene und das Degradationsverhalten mithilfe von zyklischen Versuchen an mikroskopischen Modellverbunden, Einzelschichten und Laminaten unter Einsatz der optischen Spannungsanalyse und der in-situ-Computertomografie eingehend analysiert. Mithilfe weiterführender numerischer Analysen auf Mikroebene werden physikalisch begründete mathematische Ansätze für das veränderliche Spannungs-Verzerrungs-Verhalten bei zyklischer Belastung mit Lastrichtungsumkehr formuliert. Die erarbeiteten mathematischen Ansätze werden in das bereits für schwellende Ermüdungsbelastung bewährte FE-basierte Ermüdungs-Schädigungs-Modell des ISD implementiert. Damit wird es möglich, die derzeitige Beschränkung der bekannten Modellansätze auf zumeist einstufige und schwellende Beanspruchungen zu überwinden und einen wesentlichen Entwicklungsschritt zu einer realistischen Lebensdaueranalyse von faserverstärkten Kunststoffen bei Betriebsbeanspruchung zu leisten.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Martin Brod, M.Sc.

Jahr: 2015

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)-Projektnummer 281870175

Laufzeit: 01.04.2016-31.10.2019
Global-local thermomechanical analysis of fracture in polycrystalline silicon shells using a phase-field approach.

Photovoltaik (PV)-Module, die mehrere polykristalline SiliziumSolarzellen (PSSC) enthalten, gehören zu den üblichsten und am weitesten verbreiteten Geräten für die Erzeugung von Solarenergie. Die Effizienz der Energieerzeugung nimmt jedoch während ihrer Lebensdauer ab, was in erster Linie mit der Rissbildung in den polykristallinen Siliziumwafern (PSW) zusammenhängt. Das Ziel dieses gemeinsamen Forschungsprojekts (ISD - Leibniz Universität Hannover, IAM - TU Braunschweig) ist es, die Gesamtsteifigkeit von polykristallinen Silizium-Solarzellen (PSSCs) aufgrund von Mikrorissen zu bewerten. PSSCs sind komplizierte Komponenten, die aus mehreren Materialien bestehen, und die Modellierung wird rechenintensiv. Daher wurden zur Ermittlung der effektiven Materialeigenschaften von PSSCs, einschließlich der Risse, Techniken zur Modellierungsreduzierung wie die numerische Homogenisierung eingesetzt. Die Risse sollen mit einem Phasenfeldansatz modelliert werden. Ein verbessertes Voronoi-Tessellierungsschema wurde eingesetzt, um polykristalline Patterns der PSW zu generieren, und ein Mean-Field-Homogenisierungsschema wurde angewendet, um die homogenisierte Reaktion der PSSCs zu bestimmen. Die Genauigkeit des Homogenisierungsschemas wurde verifiziert und die Materialreaktion der heterogenen und homogenen PSSCs wurde verglichen.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Muzzamil Tariq, Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2018

Förderung: DFG, German Research Foundation

Laufzeit: 01.08.2018 - 31.07.2021
Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattleichtbau (HANNAH)

Beim Forschungsprojekt HANNAH handelt es sich um das Anschlussvorhaben des Forschungsprojekts LENAH. In LENAH wurden Werkstoffsysteme aus den Bereichen „nanomodifizierte Werkstoffe“ und „hybride Laminate“ entwickelt, getestet und numerisch simuliert. Hierdurch konnte das hohe Potential dieser Werkstoffsysteme für die Anwendung im Rotorblattbau zunächst unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Demnach sind die untersuchten Werkstoffsysteme insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsresistenz aktuell etablierten Materialien weit überlegen. Im Folgeprojekt HANNAH steht nun die (Weiter-) Entwicklung von Fertigungs- und Simulationsverfahren für diese Werkstoffsysteme für industrielle Maßstäbe im Vordergrund. Ziel ist zum einen die hervorragenden Eigenschaften der entwickelten Werkstoffsysteme auch in der Großserienproduktion zu gewährleisten sowie das mechanische Verhalten zur Beantwortung industrienaher Fragestellungen simulieren zu können. In diesem Kontext entwickelt das ISD materialspezifische Simulationsmodelle, um in Zukunft Prozesse der Materialentwicklung sowie der Bauteilauslegung für nanomodifizierte Werkstoffe und hybride Laminate kosten- und zeiteffizient auf Basis numerischer Prognosen gestalten zu können.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M. Sc. Christian Gerendt, M. Sc. Betim Bahtiri, Dr. Ing. Behrouz Arash, Dr. Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2019

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
Acting Principles of Nano-Scaled Matrix Additives for Composite Structures (FOR 2021)

Beim Forschungsprojekt HANNAH handelt es sich um das Anschlussvorhaben des Forschungsprojekts LENAH. In LENAH wurden Werkstoffsysteme aus den Bereichen „nanomodifizierte Werkstoffe“ und „hybride Laminate“ entwickelt, getestet und numerisch simuliert. Hierdurch konnte das hohe Potential dieser Werkstoffsysteme für die Anwendung im Rotorblattbau zunächst unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Demnach sind die untersuchten Werkstoffsysteme insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsresistenz aktuell etablierten Materialien weit überlegen. Im Folgeprojekt HANNAH steht nun die (Weiter-) Entwicklung von Fertigungs- und Simulationsverfahren für diese Werkstoffsysteme für industrielle Maßstäbe im Vordergrund. Ziel ist zum einen die hervorragenden Eigenschaften der entwickelten Werkstoffsysteme auch in der Großserienproduktion zu gewährleisten sowie das mechanische Verhalten zur Beantwortung industrienaher Fragestellungen simulieren zu können. In diesem Kontext entwickelt das ISD materialspezifische Simulationsmodelle, um in Zukunft Prozesse der Materialentwicklung sowie der Bauteilauslegung für nanomodifizierte Werkstoffe und hybride Laminate kosten- und zeiteffizient auf Basis numerischer Prognosen gestalten zu können.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Christian Gerendt, M.Sc. Betim Bahtiri

Jahr: 2019

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) - FKZ 0324345A

Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
SE2A-Excellence Cluster sustainable and energy efficient aviation

Das Konzept des Ansaugpaneels birgt zwar ein hohes Potenzial, die Nachhaltigkeit zukünftiger Flugzeuge zu erhöhen, bringt aber auch einige strukturmechanische Herausforderungen mit sich, die sorgfältig geprüft werden müssen. Da die dem Panel zugrundeliegende Backbone-Struktur die lasttragende Funktion des äußeren Tragflügels im Ansaugbereich übernimmt, wird der Spannungsfluss im Tragflügel erheblich gestört, was zu mehreren, potenziell kritischen Spannungskonzentrationen führt. Um eine ausreichende Robustheit des Saugflächenkonzepts in Bezug auf statische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit zu gewährleisten, soll die Backbone-Struktur numerisch mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen analysiert werden. Mit fundierten Kenntnissen auf dem Gebiet der Kontinuumsschädigungsmechanik und der progressiven Ermüdungsanalyse wird das ISD hochgenaue Festigkeits- und Ermüdungsanalysen der Backbone-Struktur durchführen, um ausreichend robuste Designs der Backbone-Struktur zu identifizieren. Aus mechanischer Sicht ist bekannt, dass Dünnschichtlaminate (TP) im Vergleich zu herkömmlichen Laminaten eine bessere statische Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufweisen. Ein bewährtes Ermüdungsschadensmodell (FDM) wurde kalibriert und modifiziert, um den Einfluss der Schichtdicke bei statischer und zyklischer Belastung zu berücksichtigen.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Muzzamil Tariq, M.Sc., Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2019

Förderung: DFG, German Research Foundation

Laufzeit: 01.04.2019-31.12.2022
Modellierung und Simulation des Ermüdungsschädigungsverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen unter variabler zyklischer Blockbeanspruchung

Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist die Erweiterung und Anwendung eines progressiven Ermüdungsschädigungsmodells für unidirektionale mehrschichtige Faser-Kunststoff-Verbunde zur Schädigungsanalyse unter variablen zyklischen Blockbeanspruchungsmustern. Der Fokus liegt dabei auf der Erarbeitung von Schädigungsevolutionsgesetzen zur präzisen Voraussage der Degradation von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften in Abhängigkeit der Lastrichtung und des Spannungsniveaus. Neben dem Einfluss von Lastreihenfolgeeffekten, sollen insbesondere die Auswirkungen von passiven Schädigungseffekten, die unter kombinierter zyklischer Zug- und Druckbeanspruchung auftreten, berücksichtigt werden. Das erweiterte Ermüdungsschädigungsmodell soll abschließend an einem Rumpfstruktursegment eines zukünftigen Passagierflugzeugs zur Ermüdungsanalyse eingesetzt werden.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Martin Brod

Jahr: 2020

Förderung: Internes Projekt

Laufzeit: seit 2020
Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung mikrorissinduzierter Delaminationen infolge zyklischer Belastung mit Lastrichtungsumkehr

Ziel dieses Verbund-Forschungsvorhabens (ISD - Leibniz Universität Hannover, ILK - TU Dresden) ist es ein tiefgehendes Verständnis des Schädigungsablaufs beim Delaminationswachstum in Faser-Kunststoff-Verbund-Laminaten (FKV) ausgehend von vorhandenen Zwischenfaserbrüchen bei zyklischer Beanspruchung mit Lastrichtungswechsel zu entwickeln. Dabei ist mittels Analyse und Quantifizierung der relevanten Schädigungsprozesse während der Belastung zu klären, welchen Einfluss die Höhe und Richtung der aufgebrachten Belastung auf das Delaminationswachstum in FKV-Laminaten hat. Basierend auf den experimentellen Arbeiten werden detaillierte numerische Simulationen auf makro- und mesoskopischer Ebene aufgebaut, die eine zielgerichtete Analyse des Delaminationsvorgangs sowohl in DCB bzw. ENF als auch Laminatversuchen erlauben. Somit wird die experimentell nicht umsetzbare delaminationslängenabhängige Analyse der Bruchmoden ermöglicht. Es lässt sich folglich prüfen, ob durch standardisierte Rissfortschrittsuntersuchungen (DCB, ENF etc.) ermittelte Kennwerte auf eingebettete Schichten übertragbar sind. Die Untersuchungen liefern darüber hinaus umfangreiche experimentelle Ergebnisse zum Delaminationsvorgang in FKV-Laminaten unter ebener Belastung und schaffen somit eine Basis für die Entwicklung geeigneter analytischer und numerischer Modelle. Es wird untersucht, inwiefern vorhandene numerische Schädigungsmodelle (z.B. Kohäsivzonenansätze) eine zuverlässige und effiziente Modellierung des zyklischen Delaminationswachstums erlauben und wie die mesoskopischen Simulationsergebnisse für makroskopische kontinuumsmechanische Simulationen genutzt werden können.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Gereon Hacker, M.Sc. Martin Brod, Dr.-Ing Sven Scheffler

Jahr: 2021

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457043708

Laufzeit: 01.09.2021-31.08.2023
Ermüdungsverhalten und Vorhersage von Ermüdungsschäden von kurzfaserverstärkten Klebstoffen in Blättern von Windkraftanlagen (Add2ReliaBlade)

Die Zuverlässigkeit von Rotorblättern hat eine besondere Bedeutung für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Windenergieanlagen (WEA). Anlagenhersteller haben in den vergangenen Jahrzehnten viel Erfahrung im Entwurf von Rotorblättern und Schäden im Betrieb gesammelt. Dennoch sind Rissbildungen in der Rotorblattstruktur immer noch Ursachen für kostspielige Reparaturen und Betriebsausfälle. Das deutet darauf hin, dass es nach wie vor Wissenslücken in der Entwicklung von Ermüdungsschädigungen in Rotorblättern gibt, was insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Rotorblattverklebungen zutrifft. Um diese Wissenslücken zu schließen und die Zuverlässigkeit von Rotorblättern zu erhöhen, wurde im 2021 das Projekt Add2RelaiBlade als komplementäre Ergänzung des Projektes ReliaBlade aufgesetzt. Der Schwerpunkt des Projektes Add2ReliaBlade liegt auf der Entwicklung, Charakterisierung und Validierung von Simulationsmethoden und -modellen für die Beschreibung des (Ermüdungs-) Schädigungsverhaltens (kurzfaserverstärkter) Klebeverbindungen in Rotorblättern. Der Fokus liegt auf der Hinterkantenverklebung, da diese besonders schadensanfällig ist. Dieses Teilprojektes liefert substanzielle Beiträge im Rahmen erweiterter Materialversuche und zerstörungsfreier Bildgebung für kurzfaserverstärkte Klebstoffe, der Modellierung der räumlichen Verteilung der Faserorientierung in kurzfaserverstärkten Hinterkantenverklebungen, der kontinuumsmechanischen und energiebasierten Modellierung des Ermüdungsschädigungsverhaltens (kurzfaserverstärkter) Klebeverbindungen sowie der Etablierung datenbasierter Methoden der numerischen Mechanik für die Analyse der Ermüdungsschädigung von kurzfaserverstärkten Verklebungen.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Maryam Hematipour, M.Sc. ,Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2021

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

Laufzeit: 01.05.2021-30.4.2024

Strukturen

Entwicklung eines Sicherheitscockpits für Segelflugzeuge (CraCpit)

Im Gesamtverbund entwickeln die Partner Lösungen für ein Sicherheitscockpit von Segelflugzeugen. Dabei konzentrieren sich der LCC und die Akaflieg München an der TU München auf die Neuentwicklung einer Cockpitstruktur, das ISD und die Akaflieg Hannover an der Leibniz Universität Hannover (LUH) adressieren eine Nachrüstlösung für bestehende Flugzeugmuster. Ziel der Partner an der LUH ist die Auslegung sowie der zulassungsfähige Entwurf von nachrüstbaren Strukturelementen zur Herstellung eines Sicherheitscockpits in älteren, bestehenden Segelflugzeugmustern nach aktuellen Anforderungen. Cockpitstrukturen erfahren im Crashfall hohe Beanspruchungen, die lokal zu Verformungen mit großen Deformationen und Werkstoffversagen führen. Die nachgerüsteten Strukturkomponenten übernehmen hierbei unterschiedliche (gegensätzliche) Funktionen, wie die Sicherstellung des Überlebensraumes des Piloten oder die Energiedissipation zur Minderung der Aufprallwirkung. Die Wirksamkeit der Einzelkomponenten kann anhand von FEM-Simulationen beurteilt und optimiert werden. Hierzu sind entsprechende Materialformulierungen erforderlich, welche in der Lage sind, die Strukturantwort vom Belastungsbeginn bis weit in den Nachbruchbereich hinein physikalisch hinreichend korrekt abzubilden. In der Materialmodellierung, der Simulation und der Bewertung der Bauteilfunktion der Nachrüstelemente liegt der Schwerpunkt der Arbeiten am ISD. Die Validierung der Materialmodelle geschieht durch Versuche auf Subkomponentenebene. Nach der Optimierung der Baueile durch die Simulation schließt ein Versuch auf Strukturebene (Simulation des gesamten Rumpfes und Crashversuch eines Beispielrumpfes (Prototyp)) das Projekt ab. Die experimentellen Arbeiten werden in enger Kooperation mit dem Partner Akaflieg Hannover e.V. durchgeführt. Hierzu werden diverse Prüfkörper und Prototypen gebaut und getestet. Darüberhinaus wird ein Industriepartner zur Sicherstellung der wirtschaftlichen Verwertung eingebunden.

Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Christian Rolffs, Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2017

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – 20E1703D

Laufzeit: 2018-2021
Improved structural performance through the use of random field analysis

The research performed within this project uses the effect of random variations in structure’s geometry and/or material to get information on local sensitivity of structures to deviations from their baseline value. This information cannot only be useful in quality assurance, by finding areas most sensitive to deviations, but can also be used to improve the design. This approach can load to an increase in structural parameters such as buckling load, fatigue life and others.

Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Sander van de Broek; Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2019

Förderung: SE²A excellence, Cluster of DFG

Laufzeit: 2019-2022
Multistable Morphing Structures using Variable Stiffness Composites

The research project aims at developing multistable structures with morphing capabilities. A variable stiffness composite is used which allows stiffness tailoring with much larger design space. The developed semi analytical method is validated well within a Finite element framework. In this work, the concept of static, smart and dynamic actuations are exploited on bistable laminates to reduce the snap-through requirements.

Leitung: Prof. Dr-Ing habil. Raimund Rolfes

Team: M.Tech. Anilkumar P M Nair; Dr-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2019

Förderung: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)

Laufzeit: 2019-2021
FANFOLD – Schnelle maschinell angelernte nichtlineare Rotorblattanalyse

Die Performance und Zuverlässigkeit des Rotorblattes ist entscheidend für die Effizienz einer WEA. Die Blätter machen einen Großteil der Anlagenkosten aus – Ihre Reparatur- und Wartungskosten sind vergleichsweise hoch. Rotorblätter müssen weniger störanfällig und reparaturbedürftig werden. In diese Richtung, Reparatur- und Wartungsaufwand zu senken, weisen auch Konzepte der vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“) und des Digitalen Zwillings, die in der Zukunft voraussichtlich einen signifikanten Teil der Gewinne im Rotorblattmarkt verantworten werden. Voraussetzung zur Umsetzung o.g. Konzepte ist eine schnelle Analysemethode für Faserverbundstrukturen (Vorhersage und Bewertung von Schadensprogression und Lebensdauer). Für die Gesamtsimulation des Rotorblattes dienen heute hierzu FE-Analysen unter Verwendung linear-elastischer Materialmodelle. Nichtlineare Effekte durch Schäden oder gar eine kontinuierliche Schadensevolution müssen in kleinerem Maßstab durch Experimente oder Detailsimulationen aufwändig untersucht werden. Um einen Schritt weiter zu gehen und z.B. den Einfluss nichtlinearer, progressiver Schädigungsprozesse auf die Aeroelastik und Lebensdauer zu erfassen oder oder um der quasistatischen Simulation im Entwurf weniger konservative Abminderungsfaktoren zugrunde legen zu können, müsste die Gesamtsimulation am Rotorblatt direkt unter Berücksichtigung progressiver Schädigungsprozesse erfolgen (Lastumlagerungseffekte). Hindernisse sind bislang der zu hohe Berechnungsaufwand und die kostspielige experimentelle Charakterisierung existierender Materialmodelle. Zwei Themenschwerpunkte sind zu adressieren, um diesen Herausforderungen zu begegnen: 1. Entwicklung einer neuartigen, nichtlinearen und schnellen Struktursimulation auf Blattebene 2. Senkung des Materialcharakterisierungsaufwandes durch maschinelles Lernen Zeil dieses Teilprojektes ist die unter Punkt eins genannte, valide, effiziente und kostengünstige nichtlineare Rotorblattsimulation.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Christian Rolffs, Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2020

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie – FKZ 03EE3028A

Laufzeit: 2020 –2023

Nanoverbundwerkstoffe

Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau (FOR2021)

Das Ziel des Projektes besteht in der Erarbeitung eines vertieften Verständnisses der Wirkmechanismen von nanoskaligen Zusätzen in duromeren Matrizes endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe im Hinblick auf verbesserte matrixdominierte Verbundeigenschaften. Insbesondere wird ein sequentielles Multiskalen-Simulationsschema für die Vorhersage von mechanischen Eigenschaften entwickelt, dass von der Partikel-Matrix-Interaktion auf der Nanoebene bis zu faserverstärkten Materialein auf der Mikro-/Mesoebene reicht. Die Finite Elemente Methode und atomistische Simulationen auf Basis der Molekulardynamischen Finite Elemente Methode (MDFEM) werden kombiniert.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Atiyeh Mousavi, Dipl.-Ing. Johannes Fankhänel

Jahr: 2017

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Laufzeit: 01.07.2017 – 31.10.2020
Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattleichtbau (HANNAH)

Beim Forschungsprojekt HANNAH handelt es sich um das Anschlussvorhaben des Forschungsprojekts LENAH. In LENAH wurden Werkstoffsysteme aus den Bereichen „nanomodifizierte Werkstoffe“ und „hybride Laminate“ entwickelt, getestet und numerisch simuliert. Hierdurch konnte das hohe Potential dieser Werkstoffsysteme für die Anwendung im Rotorblattbau zunächst unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Demnach sind die untersuchten Werkstoffsysteme insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsresistenz aktuell etablierten Materialien weit überlegen. Im Folgeprojekt HANNAH steht nun die (Weiter-) Entwicklung von Fertigungs- und Simulationsverfahren für diese Werkstoffsysteme für industrielle Maßstäbe im Vordergrund. Ziel ist zum einen die hervorragenden Eigenschaften der entwickelten Werkstoffsysteme auch in der Großserienproduktion zu gewährleisten sowie das mechanische Verhalten zur Beantwortung industrienaher Fragestellungen simulieren zu können. In diesem Kontext entwickelt das ISD materialspezifische Simulationsmodelle, um in Zukunft Prozesse der Materialentwicklung sowie der Bauteilauslegung für nanomodifizierte Werkstoffe und hybride Laminate kosten- und zeiteffizient auf Basis numerischer Prognosen gestalten zu können.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M. Sc. Christian Gerendt, M. Sc. Betim Bahtiri, Dr. Ing. Behrouz Arash, Dr. Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2019

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
Acting Principles of Nano-Scaled Matrix Additives for Composite Structures (FOR 2021)

Beim Forschungsprojekt HANNAH handelt es sich um das Anschlussvorhaben des Forschungsprojekts LENAH. In LENAH wurden Werkstoffsysteme aus den Bereichen „nanomodifizierte Werkstoffe“ und „hybride Laminate“ entwickelt, getestet und numerisch simuliert. Hierdurch konnte das hohe Potential dieser Werkstoffsysteme für die Anwendung im Rotorblattbau zunächst unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Demnach sind die untersuchten Werkstoffsysteme insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsresistenz aktuell etablierten Materialien weit überlegen. Im Folgeprojekt HANNAH steht nun die (Weiter-) Entwicklung von Fertigungs- und Simulationsverfahren für diese Werkstoffsysteme für industrielle Maßstäbe im Vordergrund. Ziel ist zum einen die hervorragenden Eigenschaften der entwickelten Werkstoffsysteme auch in der Großserienproduktion zu gewährleisten sowie das mechanische Verhalten zur Beantwortung industrienaher Fragestellungen simulieren zu können. In diesem Kontext entwickelt das ISD materialspezifische Simulationsmodelle, um in Zukunft Prozesse der Materialentwicklung sowie der Bauteilauslegung für nanomodifizierte Werkstoffe und hybride Laminate kosten- und zeiteffizient auf Basis numerischer Prognosen gestalten zu können.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Christian Gerendt, M.Sc. Betim Bahtiri

Jahr: 2019

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) - FKZ 0324345A

Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
Funktionalisierte, multiphysikalisch optimierte Klebstoffsysteme für die inhärente Strukturüberwachung von Rotorblättern (Func2Ad)

Die Performance und Zuverlässigkeit des Rotorblattes ist entscheidend für die Effizienz einer Windenergieanlage über ihren gesamten Lebenszyklus. Die Blätter machen einen Großteil der Anlagenkosten aus – Ihre Herstellungs- und Wartungskosten sind vergleichsweise hoch. Die Klebetechnik im Rotorblatt ist eine Schlüsseltechnologie zur Erzielung von Wettbewerbsvorteilen in der Windbranche. Die Verarbeitungs- und Härteeigenschaften (Prozessierbarkeit) der Klebstoffe sowie ihre Betriebsfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) im ausgehärteten Zustand sind zwei wesentliche Stellschrauben in Bezug auf die Anlagenökonomie bzw. die Rendite. Eine Dritte würde die Ferndiagnose der Klebeverbindungen des Rotorblattes darstellen. Das hier vorgeschlagene Forschungsprojekt zu partikelmodifizierten Klebesystemen für die Windbranche setzt an den genannten drei Punkten an. Eine Haupinnovation ist dabei die Funktionalisierung des Klebeharzes durch Partikelmodifikation zur Realisierung eines den Klebeverbindungen am Rotorblatt inhärenten Strukturüberwachungssystems. Dies soll durch die Modifikation der elektrischen Eigenschaften des Klebeharzes geschehen. Gleichzeitig sollen auch die Prozessierbarkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Klebstoffes durch die Modifikation positiv beeinflusst werden. Wird das modifizierte Harzsystems nur für einen der drei genannten Aspekte optimiert, besteht die Gefahr einer schlechten Performance bzgl. der anderen. Die physikalischen Eigenschaften des Klebstoffes dürfen daher für die drei Anforderungsbereiche nicht getrennt, sondern müssen in ihrem Zusammenspiel und ihren Wechselbeziehungen gemeinsam betrachtet und optimiert werden. Um diese Optimierung und die Erhöhung der Effizienz der multiphysikalischen Materialmodelle werden innerhalb der Simulationsumgebung Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc Betim Bahtiri, Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2023

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, FKZ 03EE3069 A-F

Laufzeit: 01.01.2023-31.12.2025

Materialmodellierung

Virtual Materials and their Validation: German-French School of Computational Engineering (ViVaCE)

Versagensmechanismen im Druckbereich von unidirektionalen Faserverbundwerkstoffen wurden in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht. Dabei wurde die entscheidende Rolle von Faserfehlausrichtungen erkannt. Da die Druckfestigkeit von Faserverbundwerkstoffen durch stochastische Faserfehlausrichtungen bestimmt wird, ist es notwendig, deren Auswirkung auf die Festigkeitswerte im Druckbereich zu charakterisieren. Das Projekt soll in dieser Hinsicht einen Beitrag leisten. Eine probabilistische Definition der Versagensfläche, basierend auf Imperfektionen auf Mikroebene und anschließende experimentelle Validierung sind die Hauptziele des Projekts. Dies würde zu einer besseren Abbildung der Materialeigenschaften auf makroskopischen Skalen führen.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Nabeel Safdar, Dipl.-Ing. Dr. Benedikt Daum

Jahr: 2016

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft – DFG (International Research and Training Group IRTG1627)

Laufzeit: 01.12.2016 – 30.09.2019
Entwicklung und Validierung einer virtuellen Prozesskette für Faserverbundbauteile unter Berücksichtigung von Imperfektionen am Beispiel einer Rotorblattkomponente (Prosim R). Hall

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts sollen die wesentlichen Teile der Prozesskette bei der Herstellung eines Rotorblattes numerisch simuliert und grundlegend untersucht werden. Übergeordnetes Ziel ist dabei die Reduzierung von Fehlern bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mittels einer durchgängigen Prozesssimulation (Fertigungssimulation und strukturmechanische Simulation). Um eine Aussage über das Materialverhalten sowie das progressive Versagen zu erhalten, wird am ISD die sequenzielle Multiskalenanalyse um die Berücksichtigung der Imperfektionen erweitert. Die Ergebnisse der durchgeführten Drapier- und Harzflusssimulation stellen dabei die Eingangsinformationen dar.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Gerrit Gottlieb, Dipl.-Ing. Dr. Benedikt Daum

Jahr: 2017

Förderung: Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329147126

Laufzeit: 01.08.2017 – 31.07.2020
Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattleichtbau (HANNAH)

Beim Forschungsprojekt HANNAH handelt es sich um das Anschlussvorhaben des Forschungsprojekts LENAH. In LENAH wurden Werkstoffsysteme aus den Bereichen „nanomodifizierte Werkstoffe“ und „hybride Laminate“ entwickelt, getestet und numerisch simuliert. Hierdurch konnte das hohe Potential dieser Werkstoffsysteme für die Anwendung im Rotorblattbau zunächst unter Laborbedingungen nachgewiesen werden. Demnach sind die untersuchten Werkstoffsysteme insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsresistenz aktuell etablierten Materialien weit überlegen. Im Folgeprojekt HANNAH steht nun die (Weiter-) Entwicklung von Fertigungs- und Simulationsverfahren für diese Werkstoffsysteme für industrielle Maßstäbe im Vordergrund. Ziel ist zum einen die hervorragenden Eigenschaften der entwickelten Werkstoffsysteme auch in der Großserienproduktion zu gewährleisten sowie das mechanische Verhalten zur Beantwortung industrienaher Fragestellungen simulieren zu können. In diesem Kontext entwickelt das ISD materialspezifische Simulationsmodelle, um in Zukunft Prozesse der Materialentwicklung sowie der Bauteilauslegung für nanomodifizierte Werkstoffe und hybride Laminate kosten- und zeiteffizient auf Basis numerischer Prognosen gestalten zu können.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M. Sc. Christian Gerendt, M. Sc. Betim Bahtiri, Dr. Ing. Behrouz Arash, Dr. Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2019

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

Laufzeit: 01.03.2019 – 28.02.2022
Modellierung und Simulation des Ermüdungsschädigungsverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen unter variabler zyklischer Blockbeanspruchung

Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist die Erweiterung und Anwendung eines progressiven Ermüdungsschädigungsmodells für unidirektionale mehrschichtige Faser-Kunststoff-Verbunde zur Schädigungsanalyse unter variablen zyklischen Blockbeanspruchungsmustern. Der Fokus liegt dabei auf der Erarbeitung von Schädigungsevolutionsgesetzen zur präzisen Voraussage der Degradation von Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften in Abhängigkeit der Lastrichtung und des Spannungsniveaus. Neben dem Einfluss von Lastreihenfolgeeffekten, sollen insbesondere die Auswirkungen von passiven Schädigungseffekten, die unter kombinierter zyklischer Zug- und Druckbeanspruchung auftreten, berücksichtigt werden. Das erweiterte Ermüdungsschädigungsmodell soll abschließend an einem Rumpfstruktursegment eines zukünftigen Passagierflugzeugs zur Ermüdungsanalyse eingesetzt werden.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Martin Brod

Jahr: 2020

Förderung: Internes Projekt

Laufzeit: seit 2020
Abstrakte Modellierung der nichtlinearen mechanischen Verhalte von Verbindungen in faserverstärkten Verbundwerkstoffen

In der Luftfahrt-, Automobil- und Windturbinenindustrie gibt es große Verbundstrukturen, die mit Tausenden von mechanischen Verbindungen oder Klebstoffen verbunden sind. Für den effizienten Bau solcher Verbundstrukturen ist es wichtig, das Verhalten solcher Verbundverbindungen zu bewerten, das aufgrund der auftretenden Nichtlinearitäten und unterschiedlicher Versagensmodi normalerweise sehr komplex ist. Eine genaue Simulation von Verbundverbindungen unter Verwendung detaillierter Modelle liefert eine gute Schätzung des Verbindungsverhaltens und seiner Versagenseigenschaften, geht jedoch auf Kosten der Rechenzeit. Das Projekt zielt darauf ab, den Rechenaufwand für die Simulation von Verbundverbindungen zu reduzieren, indem ein abstraktes Modell mit reduzierten Freiheitsgraden entwickelt wird. Die Reduzierung der Freiheitsgrade des Modells wird durch die Verwendung von Strukturelementen wie Schalen und Balken angestrebt. Das Projekt zielt darauf ab, ein Modell zu erstellen, das das Verhalten des Gelenks im endlichen Dehnungsbereich erfasst, sodass die Anisotropie des Verbundmaterials und verschiedene Nichtlinearitäten wie Plastizität, Schädigung, Kontakt, Reibung etc. effizient simuliert werden können.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc Aditya Bhalchandra Bansod, Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2022

Förderung: DFG, German Research Foundation

Laufzeit: 01.07.2022-30.06.2025
Funktionalisierte, multiphysikalisch optimierte Klebstoffsysteme für die inhärente Strukturüberwachung von Rotorblättern (Func2Ad)

Die Performance und Zuverlässigkeit des Rotorblattes ist entscheidend für die Effizienz einer Windenergieanlage über ihren gesamten Lebenszyklus. Die Blätter machen einen Großteil der Anlagenkosten aus – Ihre Herstellungs- und Wartungskosten sind vergleichsweise hoch. Die Klebetechnik im Rotorblatt ist eine Schlüsseltechnologie zur Erzielung von Wettbewerbsvorteilen in der Windbranche. Die Verarbeitungs- und Härteeigenschaften (Prozessierbarkeit) der Klebstoffe sowie ihre Betriebsfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) im ausgehärteten Zustand sind zwei wesentliche Stellschrauben in Bezug auf die Anlagenökonomie bzw. die Rendite. Eine Dritte würde die Ferndiagnose der Klebeverbindungen des Rotorblattes darstellen. Das hier vorgeschlagene Forschungsprojekt zu partikelmodifizierten Klebesystemen für die Windbranche setzt an den genannten drei Punkten an. Eine Haupinnovation ist dabei die Funktionalisierung des Klebeharzes durch Partikelmodifikation zur Realisierung eines den Klebeverbindungen am Rotorblatt inhärenten Strukturüberwachungssystems. Dies soll durch die Modifikation der elektrischen Eigenschaften des Klebeharzes geschehen. Gleichzeitig sollen auch die Prozessierbarkeit und die Ermüdungsfestigkeit des Klebstoffes durch die Modifikation positiv beeinflusst werden. Wird das modifizierte Harzsystems nur für einen der drei genannten Aspekte optimiert, besteht die Gefahr einer schlechten Performance bzgl. der anderen. Die physikalischen Eigenschaften des Klebstoffes dürfen daher für die drei Anforderungsbereiche nicht getrennt, sondern müssen in ihrem Zusammenspiel und ihren Wechselbeziehungen gemeinsam betrachtet und optimiert werden. Um diese Optimierung und die Erhöhung der Effizienz der multiphysikalischen Materialmodelle werden innerhalb der Simulationsumgebung Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc Betim Bahtiri, Dr.-Ing. Sven Scheffler

Jahr: 2023

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, FKZ 03EE3069 A-F

Laufzeit: 01.01.2023-31.12.2025

Strukturüberwachung

Erweiterung und Erprobung eines Schadensfrüherkennungs- und Eisdetektionssystems für Rotorblätter von Offshore Windenergieanlagen (SHM.Rotorblatt)

Gegenstand des Projekts ist die Erforschung von Schadensfrüh-erkennungsmethoden für Rotorblätter und die Erprobung eines Schadensdetektionssystems an einem Rotorblatt unter Labor- und Realbedingungen. Hierzu werden schwingungsbasierte Verfahren verwendet und die Umgebungs- und Betriebsbedingungen einer Windenergieanlage berücksichtigt. Auf diese Weise entsteht eine mechanische Komponente. Ziel ist es diese mechanische Komponente mit einer Akustischen zu kombinieren, um die gesamte Detektionsgenauigkeit zu erhöhen und Fehldetektionen zu vermeiden.

Leitung: Prof. Dr. Ing.-habil. Raimund Rolfes

Team: Dipl.-Ing. Stavroula Tsiapoki

Jahr: 2011

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0325388

Laufzeit: 01.12.2011 - 30.06.2016
Überwachung des Suction Bucket Jackets im Offshore Windpark Borkum Riffgrund 1 (Monitoring SBJ)

Das Forschungsprojekt “Monitoring SBJ” ist ein Verbundprojekt zwischen DONG Energy, der Leibniz Universität Hannover (LUH) und der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM). Es basiert auf Messdaten, die mit Hilfe eines Überwachungssystems erfasst werden, welches auf dem Prototypen-fundament des kürzlich installierten Suction Bucket Jackets im Offshore Windpark Borkum Riffgrund 1 angebracht ist. Die Aufgaben des ISD umfassen die Auswertung der Schwingungsmessdaten während der Installation und des Betriebs und auf der Verbesserung eines numerischen Modells hinsichtlich der Boden-Bauwerk-Interaktion.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Nikolai Penner, M.Sc., Dipl.-Ing. Andreas Ehrmann

Jahr: 2014

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0325766A

Laufzeit: 01.08.2014 - 28.02.2017
Deutsche Forschungsplattform für Windenergie (DFWind)

Das Ziel des Projektes ist die Schaffung der Grundlagen einer Windenergieforschungs- und Entwicklungsplattform, mit der zahlreiche Themen für deren Nutzung entlang der gesamten Wirkungskette in einer bisher unerreichten Qualität bearbeitet werden können. Der Forschungsfokus liegt auf der Interaktion der Subsysteme im Gesamtsystem Windenergieanlage auch unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung von zwei separaten WEA bis hin zur Wirkung auf das Verbundnetz. Das ISD wird sich hierbei auf die intelligente Messdatenanalyse, die Strukturüberwachung sowie die Berechnung gekoppelter dynamischer Systeme konzentrieren.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Dr.-Ing. Tanja Grießmann, Stefan Wernitz, M.Sc., Benedikt Hofmeister, M.Eng.

Jahr: 2016

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0325936E

Laufzeit: 01.01.2016 – 31.12.2020

© DLR
Multivariates Schadensmonitoring von Rotorblättern (MultiMonitorRB)

Wesentliche Ziele des Projektes MultiMonitorRB sind die Entwicklung, Kombination und Erprobung von globalen und lokalen SHM-Verfahren für Rotorblätter von Windenergieanlagen. Im Sinne einer multivariaten Vorgehensweise werden verschiedene strukturmechanische und akustische Ansätze, welche unterschiedliche Kenngrößen und Schadensmerkmale erfassen können, berücksichtigt. Die SHM-Verfahren sollen eine automatisierte und zuverlässige Erkennung und Klassifizierung strukturrelevanter Schäden im frühen Stadium gewährleisten.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Marlene Bruns, M.Sc., Helge Jauken, M.Sc.

Jahr: 2017

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0324157A

Laufzeit: 01.03.2017 – 31.12.2020

© ISD
Optimierung der Bemessung hybrider Türme und Entwicklung eines geeigneten Monitoringkonzepts (HyTowering)

Bei weiter steigenden Turmhöhen werden zunehmend Hybridtürme aus vorgespannten Betonsegmenten und aufgesetzten Stahltürmen für Onshore-Windenergieanlagen eingesetzt. Mit der Höhe wächst das Risiko für Instabilitäten bzw. für Schäden an der Struktur. Gegenstand des genehmigten Forschungsvorhabens sind daher großformatige Versuche an Betonsegmenttürmen, an denen sowohl Bemessungsmodelle entwickelt als auch Monitoringkonzepte erprobt werden können.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Nikolai Penner, M.Sc., Benedikt Hofmeister, M.Eng.

Jahr: 2018

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0324221A

Laufzeit: 01.01.2018 - 31.12.2020

© ISD
Qualitätsgesicherte Fließfertigung leichter UHFB-Stabelemente mittels Künstlicher Neuronaler Netze (SPP 2187)

Gemeinsam mit dem Institut für Baustoffe forscht das ISD an einem neuartigen Herstellungsverfahren für Bauteile aus ultra-hochfestem Beton mit einer Bewehrung aus Stahlblech und Kohlenstofffasern. In einem innovativen Strangpressverfahren werden stabförmige Bauteile hergestellt, die einen Kern aus ultra-hochfestem Beton haben. Sie sind durch eine Kombination aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und Stahlblech bewehrt. Es wird ein Sensorkonzept entwickelt, welches in der Lage die, die Bauteile „ab Bauteilgeburt“ zu überwachen. Verschiedene heterogene Messdaten werden genutzt, um den Prozess des Strangpressens mithilfe eines Künstlichen Neuronalen Netzes zu steuern und zu überwachen, sodass eine gleichbleibend hohe Qualität der Bauteile gewährleistet werden kann.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Nikolai Penner, M.Sc., Dipl.-Ing. Franz Ferdinand Tritschel

Jahr: 2019

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 402702316

Laufzeit: 2019 - 2022
SONYA: Steigerung der Zuverlässigkeit von segmentierten Rotorblättern durch hybride Zustandsüberwachung

Das Ziel des Projekts ist, die Zuverlässigkeit zukünftiger, komplexer Rotorblätter mit neuen Strukturtechnologien durch eine gezielte und zuverlässige Überwachung des Strukturzustands zu gewährleisten und die Gesamtverfügbarkeit der Anlage zu erhöhen. Der Forschungsfokus liegt auf der Entwicklung und Anwendung eines hybriden, intelligenten Strukturüberwachungssystems am Beispiel einer hochbelasteten Verbindungsstelle von einem segmentierten Rotorblatt. Dieses System soll unabhängige Systeme zur Bauteilüberwachung (Ultraschall- und Dehnungsbasiert) zu einem hybriden System kombinieren, um damit die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Schadensdetektion zu erhöhen. Dafür ist es insbesondere notwendig, dass Fehlmeldungen („false-positive“) des Monitoring-Systems vermieden werden. Das ISD wird sich hierbei bei der Auswertung der Messdaten um die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens für das hybride SHM-System beschäftigen.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Abderrahim Abbassi, M.Sc

Jahr: 2020

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - Projektnummer 60451751

Laufzeit: 01.07.2020-30-06-2023

© DLR

Akustik

Erforschung und Anwendung von Schallminimierungsmaßnahmen beim Rammen des FINO3-Monopiles (Schall FINO3)

Gegenstand des Forschungsvorhabens ist der prototypische Einsatz eines großen Blasenschleiers bei den Rammarbeiten zur Errichtung der Forschungsplattform FINO3 in der deutschen Nordsee. Dabei ist vorgehen, in einem kurzen Versuchsprogramm im Anschluss an den eigentlichen Rammvorgang die Wirksamkeit des Minderungskonzepts zum Schutz der marinen Umwelt vor Schallimmissionen zu untersuchen. Parallel dazu werden weitere Maßnahmen im Rahmen der ökologischen Begleitforschung durchgeführt.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Jörg Rustemeier, M.Sc., Dr.-Ing. Tanja Grießmann

Jahr: 2008

Förderung: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit - FKZ 0325023A

Laufzeit: 01.01.2008 - 31.03.2009
Erforschung von Sonartranspondern für Offshore-Windparks und technische Integration in ein Gesamtkonzept

Offshore-Windenergieanlagen erfordern als künstliche Unterwassergefahren-quellen eine akustische Kenntlichmachung der U-Boote durch Sonartransponder. Für diese wird gefordert auch unter ungünstigen hydro-akustischen Bedingungen und in sicherer Entfernung vom OWP ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Zugleich müssen die negativen Einflüsse des Hydroschalls auf marine Säugetiere minimiert werden. Neben der Auslegung der Geräte entsprechend den Anforderungen der Bundesmarine wird die Abbildung der Schallausbreitung im hybriden Rechenmodell verfolgt.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Dipl.-Ing. Moritz Fricke

Jahr: 2009

Förderung: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit - FKZ 0325104A

Laufzeit: 01.02.2009 - 31.03.2011
Realistische Hydroschallszenarien auf der Basis von Prognosemodellen und Monitoring für den Bau von OWPs in der deutschen Nordsee (HyproWind)

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines mehrstufigen numerischen Verfahrens für die Vorhersage von Rammschallimmissionen in der deutschen Nordsee. Der Schwerpunkt der Modellbildung liegt dabei nicht auf einer Quellenbeschreibung, sondern vielmehr auf einer effizienten Schallausbreitungsberechnung bis in große Entfernungen mit anschließender Visualisierung in Lärmkarten. Darüber hinaus sind hydroakustische Dauermessungen an den Forschungsplattformen FINO1 und FINO3 für die Modellvalidierung vorgesehen.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Dipl.-Ing. Moritz Fricke, Dr.-Ing. Tanja Grießmann

Jahr: 2010

Förderung: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit - FKZ 0325212

Laufzeit: 01.09.2010 - 31.12.2013
Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Vorhersage des Unterwasserschalls bei Rammarbeiten zur Gründung von OWEA: Simulationsmodelle für Schallminderungskonzepte (BORA)

Das übergeordnete Ziel des Verbundprojekts BORA ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Vorhersage der Schallausbreitung im Wasser infolge von Offshore-Rammarbeiten. Dies beinhaltet vor allem die Modellierung der Schallausbreitung an der Quelle, die durch die Pfahlbewegung und –vibration entsteht, wie auch die Abbildung der Schallausbreitung im Wasser und im Boden sowie die Modellierung von Schallminderungskonzepten wie zum Beispiel dem Blasenschleierkonzept.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Tobias Bohne, M.Sc.

Jahr: 2012

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0325421B

Laufzeit: 01.12.2009 - 30.11.2014
Von der Schallquelle zur psycho-akustischen Bewertung (WEA-Akzeptanz)

Im Rahmen des Projektes soll ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt werden, der die physikalische Schallentstehung, -abstrahlung und -ausbreitung mit der psychoakustischen Bewertung am Immissionsort verknüpft. In Zusammenarbeit zwischen dem Industriepartner Senvion, dem IKT und dem IMUK der Leibniz Universität Hannover, soll ein akustisches Gesamtmodell entwickelt werden, das sowohl die Schallentstehung am Rotor, an WEA-Komponenten und in der Gondel, als auch die Schallausbreitung bis zum Empfänger unter realistischen atmosphärischen Bedingungen erfasst. Das Gesamtmodell beinhaltet auch die für die Akzeptanz in der Bevölkerung so wichtige psychoakustische Lästigkeitsbewertung der berechneten Schallimmissionen.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Jasmin Hörmeyer, M.Sc., Susanne Martens, M.Sc., Tobias Bohne, M.Sc.

Jahr: 2017

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0324134A

Laufzeit: 01.04.2017 – 30.11.2020

© ISD

Gekoppelte Dynamische Systeme

Innovative Wind Conversion Systems (10-20 MW) for Offshore Applications (INNWIND.EU)

Das Forschungsprojekt mit insgesamt 27 europäischen Partnern ist Nachfolgeprojekt des UpWind Projekts, in dem die Vision einer 20MW Windenergieanlage formuliert wurde, die nur mit spezifischen, technologischen Innovationen möglich sein wird. Das globale Ziel des INNWIND.EU Projekts ist das Design einer innovativen 10-20MW Offshore-Windenergieanlage sowie die Erstellung von Demonstratoren für einige besonders kritische Komponenten.

Leitung: Prof. Dr. Ing.-habil. Raimund Rolfes

Team: Dipl.-Ing. Jan Häfele

Jahr: 2012

Förderung: Europäische Union

Laufzeit: 01.11.2012 - 31.10.2017
Suction Bucket-Gründungen als innovatives und montageschallreduzierendes Konzept für Offshore-Windenergieanlagen (WindBucket)

Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens „WindBucket“ ist die Beurteilung der Machbarkeit und der Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen sowie die Schaffung der erforderlichen Grundlagen für die Planung, Bemessung und Errichtung von Bucket-Gründungen aus Stahl und Stahlbeton in deutschen Offshore-Gebieten. Die Aufgaben des ISD umfassen den Aufbau eines multi-physikalischen Gesamtmodells der Windenergieanlage zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens mit Hilfe der Modalanalyse sowie der transienten Berechnung unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Interaktion.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Dipl.-Ing. Andreas Ehrmann, Małgorzata Szałyga, M.Sc.

Jahr: 2012

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0325406B

Laufzeit: 01.07.2012 - 30.09.2014
Lebensdauer - Forschung an den OWEA-Tragstrukturen im Offshore-Testfeld alpha ventus (GIGAWIND life)

Ziel des Verbundprojekts ist die Erweiterung des in GIGAWIND alpha ventus entwickelten Bemessungskonzepts für Tragstrukturen von OWEA um wesent-liche Aspekte, die sich erst aus dem mehrjährigen Betrieb ergeben. Zu nennen sind hier sowohl die Degradationsmechanismen auf der Widerstandsseite der mit den umgebenden Medien interagierenden Tragstruktur (materielle Schädigungen von Tragstruktur und Fügestellen, Materialermüdung, Schäden der Korrosionsschutzsysteme, Kolk, Degradation des Pfahltragverhaltens) als auch die Ermittlung einwirkender Lasten aus Wellen und marinem Bewuchs.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Dipl.-Ing. Jan Häfele, Nikolai Penner, M.Sc., Dr.-Ing. Tanja Grießmann, Dipl.-Ing. Andreas Ehrmann, Dr.-Ing. Mahmoud M. Jahjouh

Jahr: 2013

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 0325575A

Laufzeit: 01.02.2013 - 31.01.2018
Integrated Research Programme on Wind Energy (IRPWIND)

Übergeordnetes Ziel des IRPWIND Projekts ist die Förderung der Vernetzung von europäischen Forschungsaktivitäten im Bereich der Windenergie. Dies soll zu einem schnelleren Übergang zu einer kohlenstoffärmeren Wirtschaft führen und europäische Wettbewerbsfähigkeit erhalten und erhöhen. Die drei Hauptziele liegen im Bereich der Optimierung von Windfarmen durch die Modellvalidierung, auf der Reduktion von Unsicherheiten zur Steigerung der Effizienz und Zuverlässigkeit zukünftiger Anlagen und auf der Transformation des Energieversorgungssystems.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Clemens Hübler, M.Sc., Karsten Schröder, M.Sc.

Jahr: 2014

Förderung: Europäische Union

Laufzeit: 01.03.2014 - 30.04.2018
Schwingungs- und Festigkeitsverhalten von Bauteilen mit regenerations-bedingten Imperfektionen und Eigenspannungen (TP B4 "Stochastische Strukturanalyse" des SFB 871)

Reale Bauteile weisen regenerationsbedingte Imperfektionen (Geometrie, Material und Eigenspannungen) auf, die das Strukturverhalten maßgeblich beeinflussen. Am Anwendungsbeispiel des komplexen Investitionsguts einer Verdichterblisk, wird der Regenerationseinfluss auf die Anfahrdynamik und Lebensdauer quantifiziert. Grundlage für die notwendige probabilistische Strukturanalyse sind effiziente Berechnungsansätze. Letztlich erfolgt eine Bewertung der möglichen Regenerationspfade (konkurrierende und nichtkonkurrierende).

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: M.Sc. Ricarda Berger (seit 2016), Dipl.-Ing. Timo Rogge (bis 2015)

Jahr: 2014

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Laufzeit: 2010-2021

© ISD
Probabilistische Sicherheitsbewertung (PSA)

In diesem themenübergreifenden Verbundprojekt soll die für den Bemessungsprozess zentrale Frage der Versagenswahrscheinlichkeit in den aktuellen Bemessungen von OWEA geklärt werden. Hierfür werden mit Hilfe von probabilistischen Methoden Versagenswahrscheinlichkeiten für die Grenzzustände berechnet. Die vorhandenen Versagensarten der Tragstruktur werden in einer Fehlerbaumanalyse zusammengeführt und die wahrscheinlichste Versagensart sowie die resultierende Versagenswahrscheinlichkeit können bestimmt werden.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Jan Goretzka, M.Sc.

Jahr: 2014

Förderung: Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur

Laufzeit: 01.12.2009-30.11.2014
Verbundforschung zur Steigerung der Effizienz von Windenergieanlagen im Energiesystem (ventus efficiens)

Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Steigerung der Effizienz von (Offshore-) Windenergieanlagen im Energiesystem. Obwohl diese heute mit hoher Qualität hergestellt, errichtet und betrieben werden, ist eine kontinuierliche Steigerung der Effizienz unabdingbar. Nur so können die Stromgestehungskosten noch deutlich weiter gesenkt werden. Dies ist für die Windenergie von besonderer Bedeutung, da sie in Zukunft einen wesentlichen Anteil der europäischen Stromproduktion stellen wird.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Dr.-Ing. Cristian Gebhardt, Karsten Schröder, M.Sc.

Jahr: 2015

Förderung: Nds. Ministerium für Wissenschaft und Kultur

Laufzeit: 01.12.2014 - 31.12.2019

© ForWind
Präzises Messsystem zur berührungslosen Erfassung und Analyse des dynamischen Strömungsverhaltens von WEA-Rotorblättern (PreciWind)

Im Rahmen des Vorhabens PreciWind wird ein mobiles thermografisches Messsystem zur kontinuierlichen Erfassung und Analyse des dynamischen Strömungsverhaltens von Rotorblättern an Windenergieanlagen (WEA) im Betrieb entwickelt. Mit dem für den Freifeldeinsatz entwickelten System kann die aerodynamische Leistungsfähigkeit laufender WEA quantifiziert und bewertet werden. Die Analyse der oberflächennahen Strömungszustände wird mit einer geometrisch hochauflösenden Infrarotkamera im langwelligen Strahlungsbereich verwirklicht. In Kombination mit einem Laserabstandsmesssystem zur Erfassung der Rotorblattdistanz und -geometrie wird das Messsystem auf einem ko-rotierenden Messsystemträger fixiert, um erstmals das Strömungsverhalten während einer vollständigen Umdrehung des Rotors zu untersuchen. Diese Anordnung ermöglicht die Kompensation der Relativbewegungen zwischen Messsystem und WEA-Rotor und ermöglicht zeitgleich eine Analyse der Strukturdynamik der WEA auf Grund von wechselnden Krafteinwirkungen innerhalb eines Rotorumlaufes. Unter Verwendung einer mobilen Stromversorgung können Messungen im Freifeld aus Distanzen von bis zu 300 m zur WEA durchgeführt werden. Das ISD verfolgt innerhalb dieses Projekts erstmalig das Konzept eines Digitalen Zwillings. Ein virtuelles Abbild der WEA wird detailgetreu konzipiert und die gesamten Messaktivitäten mit Hilfe der parametrisierten Simulationsmodelle zur effektiven Positionierung und Einstellung des neuartigen Messsystems verfolgt, sowie auftretende Ursachen von Charakteristika und Unschärfe entlang der gesamten Versuchsstrecke und Messdurchführungen mit Fokus auf strukturmechanische Aspekte untersucht. Eine Validierung der simulationsbasierten Modelle erfolgt anhand von hochwertigen Messdaten.

Leitung: Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes, PD Dr.-Ing. habil. Cristian Guillermo Gebhardt

Team: Daniel Schuster, M. Sc., Dipl.-Ing. (FH) Christian Hente, M.Sc.

Jahr: 2020

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 03EE3013B

Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2022

© BIMAQ

Unschärfe

Effizienzsteigerung unscharfer Strukturanalysen von Windenergieanlagen im Zeitbereich (ENERGIZE)

Windenergie ist eine zukunftsträchtige Technologie zur Erfüllung der Ziele für den Ausbau erneuerbarer Energien. Zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit müssen Kosten gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht werden. Ein erfolgversprechender Ansatz hierfür ist die realitätsnähere numerische Strukturanalyse von Windenergieanlagen (WEA) unter Berücksichtigung von polymorpher Unschärfe. Unter Unschärfe ist, die Variabilität, Unvollständigkeit und Ungenauigkeit von Daten zu verstehen. Eine Möglichkeit polymorphe Unschärfe zu modellieren, ist die Verwendung von Methoden der „imprecise probability“. In der Forschung im klassischen Bauingenieurwesen werden solche Ansätze zuletzt vermehrt angewendet. Aufgrund der Komplexität von WEA, die Herausforderungen mit unbekannten und streuenden Eingangsparametern (typisch für das Bauingenieurwesen) und komplexes Regelverhalten (typisch für den Maschinenbau) vereinen, sind solche Ansätze bisher nicht zu finden. Rechenzeiten sind teilweise zu hoch und die Verwendung von Metamodellen ist aufgrund der Komplexität von WEA nur bedingt möglich. Daher werden in diesem Forschungsvorhaben zunächst geeignete Methoden der „imprecise probability“ auf ein WEA-Modell angewendet. Anschließend - hier liegt der Kern des Vorhabens – wird die Effizienz der unscharfen Analyse gesteigert, indem die Anzahl der erforderlichen Modellauswertungen reduziert wird. Dies erfolgt einerseits mit Hilfe weiterentwickelter Sensitivitätsanalysen, die unter Berücksichtigung polymorph unscharfer Parameter verwendet werden können. So kann die Anzahl der unscharfen Parameter reduziert werden. Andererseits werden Stichprobenverfahren entwickelt, die mit Methoden der „imprecise probability“ und Lastextrapolationsverfahren für WEA kombinierbar sind. Anschließend kann eine effizientere Strukturanalyse von WEA unter Berücksichtigung von polymorpher Unschärfe bei gleichzeitiger Einhaltung adäquater Rechenzeiten durchgeführt werden, sodass realitätsnähere Analysen möglich sind.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes, Dr.-Ing. Cristian Gebhardt

Team: Dr.-Ing. Clemens Hübler

Jahr: 2019

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Laufzeit: 2019 – 2022

© ISD
Transdisziplinäre End-of-Life Analyse von Windenergieanlagen zur Entwicklung technisch-wirtschaftlich optimaler Nachnutzungsstrategien (TransWind)

Die Windenergie stellt einen wichtigen Grundpfeiler für das Erreichen der Energiewende in Deutschland dar. Noch sind die Stromgestehungskosten im Verhältnis zur Marktvergütung hoch, sodass hier Entwicklungsbedarf besteht. Vor diesem Hintergrund ist die End-of-Life-Thematik von Windenergieanlagen (WEA) – d.h. die Analyse und Ausgestaltung der Zeit nach Ende der Förderung des Erneuerbare Energien Gesetzes (EEG) bzw. nach Überschreiten der Entwurfslebensdauer – aktuell von besonderem Interesse. Zur Entwicklung technisch-wirtschaftlich nachhaltiger Strategien für Post-EEG-WEA ist eine gemeinsame und zumindest einseitig gekoppelte Betrachtung unterschiedlichster Aspekte der Strukturdynamik, Prozesstechnik, Logistik, Raumplanung und Betriebswirtschaft unabdingbar. Beispielsweise ist es nur dann sinnvoll, die betriebswirtschaftliche Machbarkeit eines Weiterbetriebs durch Retrofit zu analysieren, wenn dieser auch technisch möglich ist. Daher soll im Rahmen von TransWind ein probabilistisches, strukturdynamisches Modell einer WEA mit standortspezifischen Windsimulationen, raumplanerischen Werkzeugen und Wirtschaftlichkeitsanalysen in einem verzahnten Modellierungsansatz verbunden werden. Um die automatisierte Anwendung dieses transdisziplinären Vorgehens zu ermöglichen, soll der Modellierungsansatz zudem in einer Softwarelösung umgesetzt werden und dadurch die Vorteile der zunehmenden Digitalisierung in der Energiewirtschaft nutzen. Der Fokus des ISD liegt auf der strukturdynamischen, probabilistischen Lebensdauerberechnung.

Leitung: Dr.-Ing. Clemens Hübler, Prof. Dr-Ing. habil. Raimund Rolfes

Team: Franziska Müller, M.Sc.

Jahr: 2020

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 03EE3029A

Laufzeit: 01.11.2020 – 31.10.2023

© WIV GmbH
VIPile – Einfluss der Vibrationsparameter auf die Installation und das Tragverhalten von Monopiles

Die Ergebnisse der ersten beiden Auktionsrunden für deutsche Offshore-Windparks mit Inbetriebnahme von 2021 bis 2025 verdeutlichen die Notwendigkeit, weitere Kostensenkungspotenziale nutzbar zu machen, um diese zukünftigen Projekte im angestrebten Kostenrahmen realisieren zu können. Eine Möglichkeit hierzu bildet der Einsatz der Vibrationsrammung als umweltschonendes und kostengünstiges Bauverfahren zur Realisierung der weiteren Ausbaupläne für Offshore-Windenergie in Deutschland. Das Projekt VIPile verfolgt das übergeordnete Ziel mittels großmaßstäblicher Versuche und numerischer Simulationen validierte Modelle zur Prognose des Tragverhaltens für vibrierte Monopile-Gründungen zu entwickeln, um eine wirtschaftliche Bewertung zu ermöglichen und entsprechende Risiken bei der Realisierung zu reduzieren. Darüber hinaus wird zusätzlich ein vereinfachtes weniger rechenintensives, linearisiertes Boden-Bauwerk-Interaktionsmodell entwickelt, das sich zur Einbindung in die Gesamtsimulation eignet und aus den zuvor entwickelten detaillierten Modellen abgeleitet und mit Hilfe dynamischer Messungen validiert wird. Auf dem vereinfachten Boden-Bauwerk-Interaktionsmodell liegt der Fokus des ISD.

Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes, Dr.-Ing. Clemens Hübler

Team: Marlene Bruns, M.Sc.

Jahr: 2020

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - FKZ 03EE3022

Laufzeit: 01.08.2020 – 31.07.2023

© ISD