Hansen, Jens Zangenberg

Østergaard, Rasmus

Vindmøllevinger er blandt de største strukturer fremstillet af fiber-forstærket polymer. En vindmøllevinge er gennem dens levetid udsat for cyklisk belastning, som over tid kan lede til brud - også kendt som udmattelse. Med henblik på glasfiber-forstærket kompositter til brug i hovedbjælken i en vindmøllevinge, undersøger det foreliggende arbejde effekten af fiber- og væv-arkitekturen på udmattelseslevetiden ved træk-træk belastning. Udmattelse af kompositmaterialer har været et centralt forskningsemne gennem de seneste årtier. Dog er de entydige svar på hvad der forårsager denne materialedegradering endnu ikke givet. Selv for den simpleste type af fiber-forstærket komposit, det aksialt belastede ensrettede materiale, er udmattelsesbruddet komplekst, og kræver avancerede eksperimentelle teknikker og karakteriseringsmetodikker for at blive vurderet. Ydermere er numerisk evaluering og forudsigelse af skadesudbredelsen i udmattelse afgørende for fremtidige forbedringer.Det nærværende arbejde fokuserer på to centrale emner: fiber-arkitektur og udmattelsesbrud. Fiber-arkitekturen er karakteriseret ved hjælp af materialeprøver og numeriske simuleringer. Eksperimentelle udmattelsesforsøg identificerer, kvantificerer, og analyserer årsagen til brud. Forskellige konfigurationer af fiber-arkitekturen er undersøgt med henblik på at klarlægge og forstå de grundlæggende brudmekanismer i træk-træk udmattelse. Et numerisk studie benyttes til at undersøge initiering af udmattelsesbruddet.Relevante emner i relation til arbejdet er: eksperimentel undersøgelse af udmattelse, skanning elektron mikroskopi, numerisk simulering, avancerede måleteknikker (mikrorøntgen tomografi og thermovision), design af testprøver og væv samt avanceret materialekarakterisering.Resultaterne af det foreliggende arbejde viser, at fiber radius-fordelingen har begrænset effekt på fiber-arkitekturen. Dette leder til spørgsmålet hvilken fiber radius-fordeling sikrer optimale mekaniske egenskaber, skades-tolerance og udmattelsesegenskaber. De eksperimentelle udmattelsesresultater og -analyser identificerer og forklarer initiering af udmattelsesbruddet ved træk belastning. Ydermere fremhæves nødvendigheden af forbedringer i både fiber-arkitekturen og test-geometrien for at kunne levere næste generation af modstandsdygtige kompositmaterialer til fremtidens vindmøllevinger.Wind turbine rotor blades are among the largest composite structures manufactured of fibre reinforced polymer. During the service life of a wind turbine rotor blade, it is subjected to cyclic loading that potentially can lead to material failure, also known as fatigue. With reference to glass fibre reinforced composites used for the main laminate of a wind turbine rotor blade, the problem addressed in the present work is the effect of the fibre and fabric architecture on the fatigue life-time under tension-tension loading. Fatigue of composite materials has been a central research topic for the last decades; however, a clear answer to what causes the material to degrade, has not been given yet. Even for the simplest kind of fibre reinforced composites, the axially loaded unidirectional material, the fatigue failure modes are complex, and require advanced experimental techniques and characterisation methodologies in order to be assessed. Furthermore, numerical evaluation and predictions of the fatigue damage evolution are decisive in order to make future improvements.The present work is focused around two central themes: fibre architecture and fatigue failure. The fibre architecture is characterised using real material samples and numerical simulations. Experimental fatigue tests identify, quantify, and analyse the cause of failure. Different configurations of the fibre architecture are investigated in order to determine and understand the tension-tension fatigue failure mechanisms. A numerical study is used to examine the onset of fatigue failure. Topics treated include: experimental fatigue investigations, scanning electron microscopy, numerical simulations, advanced measurements techniques (micro computed tomography and thermovision), design of test specimens and preforms, and advanced materials characterisation. The results of the present work show that the fibre radii distribution has limited effect on the fibre architecture. This raises the question of which fibre radii distribution ensures optimum mechanical properties, damage tolerance, and fatigue performance. The experimental fatigue results and analyses identify and explain the onset of tension fatigue failure. It is documented that improvements of the fibre architecture and specimen design are needed in order to provide next generation of fatigue resistant composite materials for wind turbine rotor blades.<br/

Online Research Database In Technology

The effects of fibre architecture on fatigue life-time of composite materials

http://orbit.dtu.dk/ws/files/60148785/DTU_Wind_Energy_PhD_0018_EN_.pdf

The effects of fibre architecture on fatigue life-time of composite materials

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology