The impact of geometric non-linearities on the fatigue analysis of trailing edge bond lines in wind turbine rotor blades

The accurate prediction of stress histories for the fatigue analysis is of utmost importance for the design process of wind turbine rotor blades. As detailed, transient, and geometrically non-linear three-dimensional finite element analyses are computationally weigh too expensive, it is commonly regarded sufficient to calculate the stresses with a geometrically linear analysis and superimpose different stress states in order to obtain the complete stress histories. In order to quantify the error from geometrically linear simulations for the calculation of stress histories and to verify the practical applicability of the superposition principal in fatigue analyses, this paper studies the influence of geometric non-linearity in the example of a trailing edge bond line, as this subcomponent suffers from high strains in span-wise direction. The blade under consideration is that of the IWES IWT-7.5-164 reference wind turbine. From turbine simulations the highest edgewise loading scenario from the fatigue load cases is used as the reference. A 3D finite element model of the blade is created and the bond line fatigue assessment is performed according to the GL certification guidelines in its 2010 edition, and in comparison to the latest DNV GL standard from end of 2015. The results show a significant difference between the geometrically linear and non-linear stress analyses when the bending moments are approximated via a corresponding external loading, especially in case of the 2010 GL certification guidelines. This finding emphasizes the demand to reconsider the application of the superposition principal in fatigue analyses of modern flexible rotor blades, where geometrical nonlinearities become significant. In addition, a new load application methodology is introduced that reduces the geometrically non-linear behaviour of the blade in the finite element analysis.

Analyse des Ermüdungsverhaltens von Beton anhand der Dehnungsentwicklung

Die Weiterentwicklungen in der Betontechnologie führten in den letzten Jahrzehnten zu Hochleistungsbetonen mit immer höheren Festigkeiten. Der Ermüdungsnachweis wurde jedoch kaum weiterentwickelt und beinhaltet immer noch sehr grobe Herangehensweisen bei der Berücksichtigung des Materialwiderstands von Beton. Für eine grundlegende Weiterentwicklung dieses Nachweises fehlt noch das notwendige Wissen zu den Mechanismen der Betonermüdung. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, grundlegende Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten hochfester Betone bei unterschiedlichen zyklischen Beanspruchungen zu ermitteln und hierdurch zu einem besseren Verständnis der Mechanismen der Betonermüdung beizutragen. In der vorliegenden Arbeit wurde das Ermüdungsverhalten eines hochfesten Betons bei Druckschwellbeanspruchung anhand der Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklungen untersucht. Betrachtet wurden dabei die Einflüsse der bezogenen Oberspannung, der Belastungsfrequenz und der Wellenform. Zusätzlich wurden, ausgehend von in der Literatur dokumentierten Ansätzen, Versuche bei monoton steigender Beanspruchung und Dauerstandbeanspruchung vergleichend durchgeführt. Die Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklungen werden durch die untersuchten Belastungsparameter der Ermüdungsbeanspruchung eindeutig beeinflusst. Charakteristische Zusammenhänge zwischen der Beeinflussung einzelner Kenngrößen der Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklung und der Beeinflussung der Bruchlastwechselzahlen wurden aufgezeigt. Anhand der Dehnungen und Steifigkeiten an den Phasenübergängen konnten Hinweise auf beanspru-chungsartabhängige Gefügezustände abgeleitet werden. Die vergleichende Auswertung des Dehnungsverhaltens bei monoton steigender Beanspruchung, Ermüdungsbeanspruchung und Dauerstandbeanspruchung zeigte, dass das Ermüdungsverhalten von Beton nicht adäquat in Anlehnung an andere Beanspruchungsarten beschrieben werden kann. Die Untersuchungsergebnisse wurden in eine Modellvorstellung übertragen, die zur Beurteilung der baustofflichen Phänomene bei zyklischen Beanspruchungen geeignet ist. Dabei wurde die Hypothese aufgestellt, dass sich unterschiedlich ausgeprägte Kleinst-Gefügeveränderungen beanspruchungsabhängig einstellen, die die Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung der Dehnungs- und Steifigkeitsentwicklungen führte zu neuen und tiefergehenden Erkenntnissen und sollte ergänzt durch die Betrachtungen von Gefügezuständen zukünftig weiterverfolgt werden.