Kristine Munk Jespersen - Fatigue damage evolution in fibre composites for wind turbine blades
1. Fatigue damage evolution in fibre composites for wind
turbine blades
By Kristine Munk Jespersen
Post Doc (KISTEC Researcher) at Waseda University, Japan
2. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Overblik over projektets kontekst
2 19.06.2018
3D X-ray Tomografi
Algoritme til kvantificering
af mikrostruktur
Forbedre udmattelsesegenskaberne af
vindmøllevingematerialer og reducere
sikkerhedsfaktorer i design
Kvantificering af
udmattelsesskade
Observering af
skadesudvikling
Fiberbrud
Tværgående
revner
M. J. Emerson, DTU Compute
Mit PhD projekt
X-ray CT baseret
modellering
Min 6 måneders PostDoc
& Chalmers Universitet
3. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Hvorfor er udmattelse en udfordring for
vindmøllevinger?
• Højt antal lastcykler gennem levetid
• Udmattelse er en af de begrænsende
faktorer imod at designe længere
vinger
• Skadesmekanismerne under
udmattelse for fiberkompositter brugt i
vindmøllevinger er stadig ikke godt
forstået
3 19.06.2018
4. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
“Non-crimp fabric” (NCF) baserede fiber
kompositter
• Fiberbundter lægges ovenpå
hinanden og syes sammen med tråd
til et tekstil
• Lag af tekstil stables i tør tilstand
• Polymer matrix er infuceret ved
brug af vakuum infusion for at
danne den endelige komposit
4 19.06.2018
5. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Quasi-UD NCF baserede kompositter anvendt
til vindmøllevinger
5 19.06.2018
Unidirectional (UD)
fiberbundter
Backing fiberbundter
6. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Quasi-UD NCF baserede kompositter anvendt
til vindmøllevinger
6 19.06.2018
Bundtskala Fiberskala Fiberdiameter
7. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Skadesmekanismer i quasi-UD NCF
kompositter under udmattelse i træk
7 19.06.2018
UD Bundter
Backing
bundter
Hovedsageligt tværgående
revner
(kamera og lys)Hovedsageligt fiberbrud
(Ex-situ X-ray CT)
Fiberbrud
Interfacial
debonding
Tværgående
revner
8. Stadie I: Tværgående revner
In-situ overvågning med højopløsningskamera under
gennemlysning af testemne
9. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
In-situ kameraovervågning af testemne
Tværsgående revner i backing fiberbundter
• Kameraovervågning under gennemlysning af testemnet
• Glasfiberbundterne er usynlige mens de tværgående revner er synlige
9 19.06.2018
Lampe
Testemne
Kamera
10. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
In-situ kameraovervågning af testemne
Tværsgående revner i backing fiberbundter
10
19.06.2018
0 cycles1 cycle1000 cycles100000 cycles
Tværgående revner i backing bundterne initierer
tidligt i udmattelseslevetiden
10
Lastretning
10 mm
11. Stadie II: UD fiberbrud
Ex-situ overvågning ved brug af X-ray CT
12. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
3D Røntgen tomografi (X-ray CT)
Sådan virker det
• Emne placeres mellem røntgenkilde og
detektoren
• Materialet absorberer nogle af
røntgenstrålerne, og andre penetrerer
igennem til detektoren. Dette giver kontrast i
billedet.
• Emne roteres en fuld rotation i små trin og
projektionsbilleder er gemt for hvert trin
• En rekonstruktionsalgoritme benyttes til at
skabe en 3D visualisering fra
projektionsbillederne
12 19.06.2018
13. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Ex-situ X-ray CT udmattelsestest til
overvågning af skadesudvikling
13 19.06.2018
14. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Ex-situ X-ray CT resultater
Følge skadesudviklingen i en allerede initieret region
14 19.06.2018
A B C D
A: 47300 cyclesB: 57300 cyclesC: 67300 cyclesD: 77300 cycles
Lastretning
UD Fiberbrud er lokale fænomener der generelt observeres i
nærheden af krydsregioner af backing fiberbundterne ”i kontakt”
med UD bundterne
15. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Ex-situ X-ray CT resultater
3D segmentering af UD fiberbrud
15 19.06.2018
• Automatisk segmentering af UD fiberbrud til initiel 3D visualisering
Skade i form af fiberbrud er et komplekst 3D fænomen der
afhænger af de understøttende backing bundter og den lokale
bundtstruktur
17. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Belastning af testemne under X-ray CT
Udviklet træk-klampe
• Klampe fastgøres på testemne lastet I
træk i en testmaskine
• Klampen holder gauge-sektionen på
testemnet lastet selv når testmaskinen
aflastes
• Test emnet scannes med klampen
fastgjort inde i X-ray CT scanneren
17 19.06.2018
18. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Belastning af testemne under X-ray CT
Relativt tidligt i levetiden
18 19.06.2018
19. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Belastning af testemne under X-ray CT
Relativt tidligt i levetiden
19 19.06.2018
UnloadedLoadedUD fiberbrud er til stede selv tidligt i udmattelseslevetiden,
også ved enkelte backing fiberbundter
20. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Opsummering af skadesmekanismer
Tværgående revner
• Initierer og opnår tilsyneladende saturering relativt tidligt i levetiden
• Nogle revner initierer fra kanterne, andre inde i testemnet
• Er relateret til fiberbrud i UD fiberbundterne og er sansynligvis
skadesinitiatorer
UD fiberbrud
• Fremkommer som lokale 3D fænomener lokalt tæt på backing
fiberbundterne
• Skadesregionerne kan initiere og vokse med forskellig hastighed
• Ses kun hvor UD bundter er ”i kontakt” med backing fiberbundter
• Skadesregioner ved krydspunkter mellem backing fiberbundterne er
generelt større end ved enkelte backing fiberbundter
20 19.06.2018
21. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
3D skadesudvikling
21 19.06.2018
Brud
22. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Konklusioner
• Udvikling af eksperimentelle metoder til at overvåge skadesudvikling i 3D
i fiberkompositer til vindmøllevinger, der også kan anvendes i andre
tilfælde
• Signifikant forbedret forståelse af initiering og udvikling af
udmattelsesskade i fiberkompositer til vindmøllevinger
• Den opnåede viden kan bruges og er blevet brugt til at forbedre
udmattelsesegenskaber af materialer
• Arbejdet viser vigtigheden af at betragte problemet i 3D og baner vejen
for X-ray CT baseret finite element modellering
22 19.06.2018
23. DTU Wind Energy, Technical University of Denmark
Spørgsmål?
Acknowledgements
• This research was conducted using mechanical testing equipment from
DTU Center for Advanced Structural and Material Testing (CASMAT),
Grant No. VKR023193 from the Villum Fonden.
• Financial support from CINEMA: “the allianCe for ImagiNg of Energy
MAterials”, DSF-grant no. 1305-00032B under “The Danish Council for
Strategic Research” is gratefully acknowledged.
• We would like to acknowledge the assistance provided by the
Manchester X-ray Imaging Facility, which was funded in part by the
EPSRC (grants EP/F007906/1, EP/F001452/1 and EP/I02249X/1)
• We would like to thank LM Wind Power for manufacturing of test
specimens.
23 19.06.2018
