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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sequenziellen Ermüdungsprüfung balkenförmiger Prüfkörper. Insbesondere ist das Verfahren zur Prüfung von Rotorblättern für Windenergieanlagen geeignet.
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Rotorblätter sind in ihrem Betrieb starken Belastungen und Verschleiß ausgesetzt. Sie müssen daher ausführlich geprüft werden, um einen sicheren Einsatz zu gewährleisten. Eine solche Prüfung ist aufwändig, da die neuentwickelten Rotorblatt-Typen im Laufe der Zeit immer länger wurden und über ihrer gesamten Länge einer vorgegebenen Zielbelastungsverteilung ausgesetzt werden müssen um realistische Belastungen zu simulieren. Zu diesem Zweck werden die zu prüfenden Rotorblätter an einem Ende fest in einen Prüfblock eingespannt, durch die gezielte Positionierung von Zusatzmassen, entkoppelten Massen und/oder Federelementen belastet und harmonisch angeregt, um eine Prüflastverteilung zu erzeugen. Diese Biegemomentverteilung wird dann über eine gewisse Anzahl von Zyklen in den Prüfkörper eingeleitet. Eine solche Prüfung ist dabei sowohl uniaxial, also in Schlag- oder Schwenkrichtung, als auch biaxial, in Schlag- und Schwenkrichtung gleichzeitig möglich.
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Ein Problem dieses Prüfungsverfahrens ist es, die Zielbelastungsverteilung entlang des gesamten zu prüfenden Bereichs des Prüfkörpers zu erzeugen, ohne dass dabei einzelne Abschnitte zu stark belastet werden. Wird ein solcher Abschnitt während des Tests so stark beschädigt, dass er versagt, kann die Prüfung für die restliche Länge des Prüfkörpers nicht ohne eine Reparatur des betroffenen Abschnittes fortgesetzt werden. Bei der Prüfung von Rotorblättern ist insbesondere der relativ kurze Bereich nahe der Blattwurzel problematisch. Aufgrund der großen Kräfte, denen dieser Abschnitt im Einsatz ausgesetzt ist, ist auch die Zielbelastung an der Wurzel wesentlich höher. Da nahe der Blattwurzel nur kleine Beschleunigungen entstehen, müssen in diesem Bereich angebrachte Zusatzmassen recht groß sein, um die Ziellastverteilung zu erzielen. Weitere Probleme sind, dass durch das Anbringen von Zusatzmassen die Mittelbiegemomentverteilung stark beeinflusst und die Eigenfrequenz des Systems abgesenkt wird. Insbesondere letzterer Effekt führt dazu, dass längere Prüfdauern notwendig sind. Um diese Probleme zu umgehen, kann eine segmentierte Prüfung durchgeführt werden. Dazu wird der Prüfkörper in Segmente aufgeteilt, die einzeln nach dem genannten Verfahren geprüft werden. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass sich so der Bereich um die Schnittstelle der Segmente nicht prüfen lässt.
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Aufgabe der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung ist es daher, ein Verfahren zur Ermüdungsprüfung vorzuschlagen, mit dem sich balkenförmige Prüfkörper, wie Rotorblätter, effizient und zuverlässig entlang ihrer gesamten Länge prüfen lassen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der Beschreibung und den Figuren.
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Ein Verfahren zur Ermüdungsprüfung eines balkenförmigen Prüfkörpers mit vorgegebener Zielbelastungsverteilung umfasst mindestens die Schritte einer ersten Prüfsequenz eines ersten Segments des Prüfkörpers, wobei ein Ende des ersten Segments in einer Prüfungsvorrichtung fixiert wird und mit einem ersten vorgegebenen Belastungskollektiv, umfassend eine Belastungsamplitude für jeden Querschnitt entlang des Segments des Prüfkörpers, einen Belastungsmittelwert für jeden Querschnitt entlang des Segments des Prüfkörpers und eine Anzahl Zyklen, durch ein aktives Lasteinleitungsmittel bei einer ersten Belastungsfrequenz nahe oder gleich der Systemeigenfrequenz des Prüfaufbaus angeregt wird, und
- einer zweiten Prüfsequenz eines zweiten Segments des Prüfkörpers, das sich mindestens teilweise mit dem ersten Segment des Prüfkörpers überschneidet, wobei ein Ende des zweiten Segments in einer Prüfvorrichtung fixiert wird und mit einem zweiten vorgegebenen Belastungskollektiv durch ein aktives Lasteinleitungsmittel bei einer zweiten Belastungsfrequenz nahe oder gleich der Systemeigenfrequenz des Prüfaufbaus angeregt wird, wobei sich das erste vorgegebenen Belastungskollektiv zusammen mit dem zweiten vorgegebenen Belastungskollektiv an einzelnen Querschnitten entlang des Prüfkörpers akkumuliert und dadurch die vorgegebene Zielbelastungsverteilung erreicht oder übertroffen wird.
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Das Verfahren ist zur Ermüdungsprüfung einer Reihe von balkenförmigen Prüfkörpern geeignet und nicht auf die Prüfung von Rotorblättern beschränkt. „Balkenförmig“ bezeichnet hierbei einen Körper mit einem zweidimensionalen Querschnitt und einer Ausdehnung in einer dritten Dimension, wobei diese Ausdehnung im Verhältnis zu den Abmessungen des Querschnitts groß ist. Durch diese Länge des Balkens ist eine Längsrichtung vorgegeben. Der Querschnitt kann eine beliebige Form haben. Insbesondere kann der Querschnitt des balkenförmigen Prüfkörpers rechteckig, abgerundet, rund und/oder in Form eines aerodynamischen Profils sein. Der Querschnitt kann entlang der Längsachse des Prüfkörpers variieren. Als Segmente des balkenförmigen Prüfkörpers werden Abschnitte des Prüfkörpers entlang seiner Längsrichtung bezeichnet, die den gesamten Querschnitt des Prüfkörpers umfassen.
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Die vorgegebene Zielbelastungsverteilung entspricht der Ermüdungsbelastung, die bei einem realen Einsatz des Prüfkörpers erwartet wird. Diese Zielbelastungsverteilung muss in der Prüfung mindestens erreicht werden. Bei einem Rotorblatt für eine Windenergieanlage entspricht die Zielbelastungsverteilung beispielsweise der erwarteten Belastung durch die Biegemomente in Schlag- und Schwenkrichtung, die auf das Rotorblatt im Einsatz an einer Windenergieanlage wirken.
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In den einzelnen Prüfsequenzen wird das jeweilige Segment des Prüfkörpers in einer Prüfungsvorrichtung eines Prüfstandes fixiert, sodass sich die Längsachse des Segments, und damit auch des Prüfkörpers, annähernd horizontal von der Befestigung weg erstreckt. Das Segment hat somit zwei Freiheitsgrade für Schwingungen, parallel zum Boden (Schwenkrichtung) und senkrecht zum Boden (Schlagrichtung). Das Ende des Segments kann auf verschiedene Weisen fixiert werden, indem es beispielsweise durch Bolzen oder Schrauben gesichert, eingespannt oder in einem Fest-Lose-Lager befestigt wird. Je nach Art der Fixierung kann das Segment außerdem um seine Längsachse rotiert werden, um so einen gewissen Neigewinkel zum Boden zu erreichen. Das Segment wird dann bei einer Frequenz nahe oder gleich der Systemeigenfrequenz des Prüfaufbaus durch ein aktives Lasteinleitungsmittel zum Schwingen angeregt. Ein aktives Lasteinleitungsmittel ist beispielsweise ein Aktuator oder auch ein Exzentererreger. Die Eigenfrequenz des Systems ist dabei durch das Segment, die Prüfvorrichtung, den Aktuator und durch etwaige zusätzliche Bauteile vorgegeben.
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Während einer Prüfsequenz wird ein Segment mit einem Belastungskollektiv beaufschlagt. Dieses umfasst eine Belastungsamplitude und Belastungsmittelwert für jeden Querschnitt entlang des Segments und die Anzahl der Zyklen, über die die Prüfsequenz stattfindet. Für jeden Querschnitt der Segmente sind so Biegemomente und Kräfte vorgegeben, die auf ihn wirken. Über die Anzahl der Zyklen ist die Wirkdauer vorgegeben, über die die Segmente diese Belastungen erfahren.
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Für dieses Verfahren sind mindestens zwei Prüfsequenzen an zwei Segmenten des Prüfkörpers notwendig, die sich zumindest teilweise in ihrer Längsausdehnung überschneiden. Das zweite Segment kann beispielsweise ein Teilsegment des ersten Segments sein. Dabei sind beide Segmente Teil des gleichen Prüfkörpers. Der Prüfkörper kann physisch in mehrere Segmente aufgeteilt werden, an denen die Prüfsequenzen durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Prüfkörper im Ganzen erhalten bleibt und die Segmente nur als Abschnitte des Prüfkörpers, auf die spezifische Belastungskollektive wirken, definiert werden.
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Über die mindestens zwei Prüfsequenzen akkumuliert sich die Belastungsamplitude und der Belastungsmittelwert über die Zyklen des ersten und des zweiten Belastungskollektiv für die einzelnen Querschnitte der Segmente des Prüfkörpers, sodass für jeden einzelnen Querschnitt des geprüften Bereichs des Prüfkörpers die Zielbelastung erreicht oder übertroffen wird.
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Somit lassen sich insbesondere in den Bereichen, in denen die geprüften Segmente überschneiden, Zielbelastungsverteilungen erzielen, die sich durch eine Ermüdungsprüfung des gesamten Prüfkörpers oder auch der einzelnen Segmente nicht erzielen ließen. Dies gilt insbesondere für die Schnittstellen an denen die Segmente physisch aufgeteilt werden. Außerdem lässt sich durch ein Einstellen der Belastungskollektive der einzelnen Prüfsequenzen der Zeitaufwand der Ermüdungsprüfung verringern. Ist ein Abschnitt des Prüfkörpers nur mit einer geringen Belastung prüfbar, während ein zweiter Abschnitt mit einer hohen Belastung geprüft werden soll, so ist es nicht notwendig, den gesamten Prüfkörper mit einer hohen Anzahl Prüfzyklen mit der geringen Belastung zu prüfen. Stattdessen, kann ein erstes Segment, dass beide Abschnitte umfasst, für eine gewisse erste Anzahl Zyklen mit einer geringen Belastung geprüft werden und dann so aufgeteilt werden, dass der Abschnitt, der mit einer hohen Belastung geprüft werden soll nun für eine zweite Anzahl Zyklen mit einer höheren Belastung geprüft wird. Der erste Abschnitt erfährt so nur die geringere Belastung, während sich im zweiten Abschnitt die Belastungen aus beiden Prüfsequenzen akkumulieren, sodass dort auch die notwendige hohe Belastung erreicht wird. Dadurch wird für jeden Querschnitt entlang des Prüfköpers die vorgegebene Zielbelastung erreicht ohne Teilbereiche zu sehr zu überlasten. Zusätzlich erhöht sich durch das Aufteilen die Systemeigenfrequenz des geprüften Segments und damit auch die Prüffrequenz, wodurch sich wiederum die Gesamtprüfdauer reduziert.
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Insbesondere kann das in der ersten Prüfsequenz geprüfte erste Segment dem gesamten Prüfkörper entsprechen. In der ersten Prüfsequenz wird so der gesamte Prüfkörper mit einem ersten Belastungskollektiv geprüft, der daraufhin in ein zweites Segment und weitere Segmente aufgeteilt werden kann. Diese überschneiden so mit dem ersten Segment. So kann der gesamte Prüfkörper mit einer vorgegebenen Zielbelastungsverteilung geprüft werden.
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Das erste Segment des Prüfkörpers kann auch dem zweiten Segment des Prüfkörpers entsprechen. In diesem Fall werden die Prüfsequenzen an demselben Segment ausgeführt. Die Prüfsequenzen können sich jedoch durch ihre Belastungskollektive unterscheiden, sodass in der ersten und zweiten Prüfsequenz unterschiedliche Belastungen auf verschiedene Querschnitte entlang des Segments wirken und sich akkumulieren.
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Das Verfahren erfordert mindestens zwei Prüfsequenzen. Es kann jedoch durch weitere Prüfsequenzen ergänzt werden. Diese können an dem ersten Segment, dem zweiten Segment, oder an einem weiteren Segment des Prüfkörpers ausgeführt werden. Die in diesen weiteren Prüfsequenzen geprüften Segmente werden jeweils mit weiteren Belastungskollektiven belastet. Die Belastungskollektive akkumulieren sich wiederum zu der Zielbelastungsverteilung. Die einzelnen Segmente überschneiden jeweils mit mindestens je einem weiteren Segment. So kann zum Beispiel das erste Segment der gesamte Prüfkörper sein, der für eine zweite und dritte Prüfsequenz in zwei Segmente aufgeteilt wird. Diese überschneiden so jeweils mit dem ersten Segment, jedoch nicht miteinander. Durch die Akkumulation des ersten, zweiten und dritten Belastungskollektivs lässt sich so eine Zielbelastungsverteilung für die gesamte Länge des Prüfkörpers erreichen. Die einzelnen Segmente können für weitere Prüfsequenzen weiter aufgeteilt werden.
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Wenn sich weitere Segmente des Prüfkörpers untereinander nicht überschneiden, so können die jeweiligen Prüfsequenzen gleichzeitig in einer entsprechenden Anzahl von Prüfvorrichtungen durchgeführt werden. So lässt sich die Prüfdauer für die gesamte Ermüdungsprüfung verringern.
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Das Verfahren zur Ermüdungsprüfung kann uniaxial, sowohl in Schlagrichtung, als auch in Schwenkrichtung, durchgeführt werden. Durch das aktive Lasteinleitungsmittel werden die Segmente dann in der jeweiligen Belastungsrichtung zur Schwingung angeregt. Für die Anregung in Schlag- und Schwenkrichtung sind in der Regel unterschiedliche Ausführungen von aktiven Lasteinleitungsmitteln notwendig.
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Die Ermüdungsprüfung kann für jedes zu prüfende Segment zunächst in einer Belastungsrichtung und danach in der anderen Belastungsrichtung durchgeführt werden. In diesem Fall werden für Schlag- und Schwenkrichtung unterschiedliche Prüfaufbauten benötigt.
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Einzelne Prüfsequenzen der uniaxialen Ermüdungsprüfung können in Schlag- oder Schwenkrichtung, vor, zwischen und/oder nach den einzelnen Prüfsequenzen in die jeweils andere Belastungsrichtung oder vor und nach einer gesamten Ermüdungsprüfung in die jeweils andere Belastungsrichtung erfolgen. Die Reihenfolge der einzelnen Prüfsequenzen ist dabei beliebig. So kann an einem Prüfkörper, der in Segmente aufgeteilt wird, eine Ermüdungsprüfung sowohl in Schlag- als auch in Schwenkrichtung durchgeführt werden.
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Die Ermüdungsprüfung kann auch biaxial, also gleichzeitig in Schlag- und Schwenkrichtung durchgeführt werden. Zu diesem Zweck können die Segmente des Prüfkörpers durch mindestens ein weiteres aktives Lasteinleitungsmittel angeregt werden. Das erste aktive Lasteinleitungsmittel ist in dieser Ausführungsform dazu ausgelegt, die Segmente in einer Belastungsrichtung anzuregen und das mindestens eine weitere Lasteinleitungsmittel ist dazu ausgelegt, die Segmente in der andere Belastungsrichtung anzuregen. Die Anregungen in die jeweiligen Belastungsrichtungen können dabei mit gleicher oder unterschiedlicher Belastungsfrequenz erfolgen. Insbesondere können die Belastungsfrequenzen in Schlag- und Schwenkrichtung den Systemeigenfrequenzen des Prüfaufbaus in Schlag- und Schwenkrichtung entsprechen.
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Die Belastungsfrequenzen des ersten Lasteinleitungsmittels und des mindestens einen weiteren aktiven Lasteinleitungsmittels können so gewählt sein, dass sie identisch zueinander oder ganzzahlige Vielfache voneinander sind. Insbesondere können die Belastungsfrequenzen in Schlag- und Schwenkrichtung den Systemeigenfrequenzen des Prüfaufbaus in Schlag- und Schwenkrichtung entsprechen. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Belastungsfrequenzen in Schlag- und Schwenkrichtung in relativ kleinen ganzzahligen Verhältnissen (1:1, 1:2, 2:1 ...) zueinander stehen, um komplexe Bewegungen, wie Lissajous-Figuren, der zu prüfenden Segmente des Prüfkörpers zu vermeiden. Dafür können die Systemeigenfrequenzen des Prüfaufbaus gegebenenfalls mittels entkoppelter Massen und/oder elastischer Elemente auf das entsprechende Verhältnis eingestellt werden.
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In dem Verfahren zur Ermüdungsprüfung können auch uniaxiale Prüfsequenzen mit biaxialen Prüfsequenzen kombiniert werden. Die jeweiligen Belastungskollektive akkumulieren sich, wodurch sich letztendlich eine Ermüdungsprüfung sowohl in Schlag- und Schwenkrichtung, als auch in andere Zwischenrichtungen ergibt. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn einzelne Segmente des Prüfkörpers beschädigungsanfällig gegenüber Belastungen in einer Richtung sind oder mit besonderem Fokus auf eine Richtung geprüft werden sollen.
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Zwischen den einzelnen Prüfsequenzen können die Segmente auch mit weiteren Prüfmethoden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, geprüft werden. Dabei ist zu beachten, dass wenn diese Prüfmethoden die Segmente belasten, sich diese Belastung ebenfalls zu der Gesamtbelastungsverteilung akkumuliert.
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Die Belastungskollektive der einzelnen Prüfsequenzen können durch passive Lasteinleitungsmittel eingestellt werden. Dazu können zum Beispiel fixierte oder entkoppelte Massen an den zu prüfenden Segmenten des Prüfkörpers angebracht werden. Durch diese lässt sich die Systemeigenfrequenz des Prüfaufbaus verändern. Es ist jedoch auch zu beachten, dass diese zusätzlichen passiven Lasteinleitungsmittel außerdem aufgrund ihrer Gewichtskraft eine zusätzliche Belastung auf die zu prüfenden Segmente auswirken können. Eine weitere Form eines passiven Lasteinleitungsmittels kann ein elastisches Element sein, das an den zu prüfenden Segmenten befestigt wird. Um verschiedenen Belastungskollektive für die mindestens zwei Prüfsequenzen einzustellen, können für die verschiedenen Prüfsequenzen verschiedene passive Lasteinleitungsmittel oder verschiedene Anordnungen von passiven Lasteinleitungsmitteln vorgesehen sein.
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Der Prüfkörper kann insbesondere ein Rotorblatt einer Windenergieanlage sein. Bei den Segmenten der einzelnen Prüfsequenzen kann es sich dann um das gesamte Rotorblatt, die Blattwurzel, die Spitze oder einen Ausschnitt des Rotorblatts handeln. Diese Abschnitte des Rotorblatts haben aufgrund ihrer Form spezifische Belastungen, die sie im realen Einsatz erfahren und damit auch spezifische Ansprüche an eine Ermüdungsprüfung, die sich bei einer Prüfung des gesamten Rotorblatts schwer miteinander vereinbaren lassen. Eine sequenzielle Ermüdungsprüfung wie hier beschrieben erlaubt hingegen die einzelnen Teile des Rotorblatts spezifisch zu belasten, ohne dass einzelne Abschnitte überlastet werden oder ein zusätzlicher Zeitaufwand entsteht.
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Durch die Vermeidung einer Überbelastung einzelner Abschnitte ergibt sich außerdem ein weiterer Vorteil des Verfahrens, da so die Anzahl der Zyklen reduziert werden kann. Ein Belastungskollektiv kann so variiert werden, dass mit einer geringfügigen Belastungsamplitudenerhöhung und gleichzeitig einer signifikanten Reduktion der Zyklenzahl die gleiche Belastung entsteht. Wenn nun die Überlast, die hauptsächlich durch zu hohe Lastamplituden entsteht, durch das vorgeschlagene Verfahren reduziert wird, kann die Lastamplitude im gesamten Segment erhöht werden um die Zyklenzahl zu senken.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Gegenstände der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen und ein zuverlässiges und effizientes Verfahren zur sequenziellen Ermüdungsprüfung von balkenförmigen Prüfkörpern, insbesondere von Rotorblättern für Windenergieanlagen zu erbringen.
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Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich anhand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:
- 1 drei allgemeine uniaxiale Prüfsequenzen in Schlagrichtung schematisch darstellt,
- 2 drei allgemeine uniaxiale Prüfsequenzen in Schwenkrichtung schematisch darstellt,
- 3 drei allgemeine biaxiale Prüfsequenzen schematisch darstellt,
- 4 den Ablauf einer sequenziellen Ermüdungsprüfung mit drei Prüfsequenzen darstellt,
- 5 die relative Belastungsverteilungen entlang einer relativen Prüfkörperlänge nach einem Verfahren wie in 4 zeigt,
- 6 den Ablauf einer sequenziellen Ermüdungsprüfung mit zwei Prüfsequenzen darstellt,
- 7 den Ablauf einer weiteren sequenziellen Ermüdungsprüfung mit zwei Prüfsequenzen darstellt, wobei das geprüfte Segment jeweils der gesamte Prüfkörper ist,
- 8 den Ablauf einer sequenziellen Ermüdungsprüfung mit vier Prüfsequenzen darstellt,
- 9a den Ablauf einer uniaxialen sequenziellen Ermüdungsprüfung mit zwei Prüfsequenzen, jeweils in Schlagrichtung, darstellt,
- 9b den Ablauf einer uniaxialen sequenziellen Ermüdungsprüfung mit zwei Prüfsequenzen, jeweils in Schwenkrichtung, darstellt
- 10 den Ablauf einer sequenziellen Ermüdungsprüfung, in der uniaxiale Prüfsequenzen in Schlag- und Schwenkrichtung kombiniert werden, darstellt,
- 11 den Ablauf einer biaxialen sequenziellen Ermüdungsprüfung mit drei Prüfsequenzen darstellt, und
- 12 den Ablauf einer sequenziellen Ermüdungsprüfung, in der uni- und biaxiale Prüfsequenzen kombiniert werden, darstellt.
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Im Folgenden soll das beanspruchte Verfahren auf Basis der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente. Als Beispielprüfkörper sind in den Zeichnungen Rotorblätter gezeigt. Es lassen sich jedoch genauso auch andere balkenförmige Prüfkörper mit diesem Verfahren prüfen.
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In 1, 2 und 3 sind Prüfungsaufbauten, wie sie für das erfinderische Verfahren benutzt werden können, schematisch dargestellt. Diese Aufbauten entsprechen Aufbauten, wie sie auch für andere, aus dem Stand der Technik bekannte, Verfahren verwendet werden können.
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1 zeigt einen Prüfungsaufbau A1 zur uniaxialen Prüfung in Schlagrichtung. Der Prüfkörper 1, dargestellt als Rotorblatt, ist in einer Prüfvorrichtung 2 fixiert. Ein Rotorblatt kann dazu beispielsweise über seine Verbindungsmöglichkeiten an der Blattwurzel in der Prüfungsvorrichtung 2 befestigt werden. Zusätzliche Massen 3 sind als passive Lasteinleitungsmittel an dem Prüfkörper befestigt. Außerdem ist ein zusätzliches passives Lasteinleitungsmittel gezeigt, dass als elastisches Element 5 ausgeführt ist. Das aktive Lasteinleitungsmittel 4 ist ein Aktuator, der dazu ausgelegt ist, den Prüfkörper 1 in Schlagrichtung zu Schwingungen anzuregen. Das aktive Lasteinleitungsmittel 4 gibt eine Belastungsamplitude vor und regt den Prüfkörper 1 für eine vorgegebene Anzahl Zyklen an bei einer Frequenz an, die der Systemeigenfrequenz entspricht oder nahe an dieser ist. Der gesamte Prüfungsaufbau hat eine Systemeigenfrequenz, die sich aus den Eigenschaften des Prüfkörpers und der passiven Lasteinleitungsmittel ergibt. In Prüfungsaufbau A2 wird auf dieselbe Weise ein Segment 1, entsprechend der Blattwurzel eines Rotorblatts, geprüft. In Prüfungsaufbau A3 wird ein Segment 1, entsprechend der Spitze eines Rotorblatts, geprüft, wobei zur Fixierung in der Prüfungsvorrichtung 2 eine Fest-Lose-Lagerung dient. Die einzelnen Segmente müssen dabei nicht den gezeigten Blattwurzeln und -spitzen entsprechen. Genauso könnte ein Segment einem anderen Ausschnitt aus einem Rotorblatt oder einem Segment eines gänzlich anderen Prüfkörpers entsprechen.
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2 zeigt einen Prüfungsaufbau B1 zur uniaxialen Prüfung in Schwenkrichtung analog zu dem in Fig. Dargestellten Prüfungsaufbauten. In diesem Aufbau ist das aktive Lasteinleitungsmittel dazu ausgelegt, den Prüfkörper 1 in Schwenkrichtung anzuregen und die passiven Lasteinleitungsmittel sind ebenfalls für diese Belastungsrichtung konfiguriert. Prüfungsaufbauten B2 und B3 stellen wiederum die Prüfung von Segmenten 1 dar.
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3 zeigt einen Prüfungsaufbau C1 zur biaxialen Prüfung. Der Prüfungsaufbau verfügt dazu über zwei aktive Lasteinleitungsmittel 4, von denen eins dazu dient den Prüfkörper 1 in Schlagrichtung anzuregen und das andere dazu dient den Prüfkörper 1 in Schwenkrichtung anzuregen. Die passiven Lasteinleitungsmittel sind ebenfalls für die Belastung in beide Belastungsrichtungen ausgelegt. Neben den zusätzlichen Massen 3 und den elastischen Elementen 5 zeigt der Prüfungsaufbau C1 entkoppelte Massen 6. Diese sind jedoch nicht auf die Anwendung bei biaxialen Prüfungen beschränkt, sondern könnten auch in allen anderen Prüfungsaufbauten verwendet werden. Es ist zu beachte, dass der Prüfungsaufbau C1 in den beiden Belastungsrichtungen über unterschiedliche Systemeigenfrequenzen verfügen kann und die aktiven Lasteinleitungsmittel 4 den Prüfkörper 1 mit darauf abgestimmten Frequenzen zu Schwingungen anregen muss. Vorteilhaft ist es, wenn die Anregung in Schlag- und in Schwenkrichtung mit Frequenzen erfolgt, die identisch, oder in einem kleinen ganzzahligen Verhältnis zueinander sind. Dadurch lässt sich die Bewegung des Prüfkörpers 1 auf elliptische oder achtförmige Bahnen beschränken. Um die Systemeigenfrequenzen entsprechend unabhängig voneinander anzupassen, können die passiven Lasteinleitungsmittel in die entsprechende Richtung an den Prüfkörper 1 angebracht werden. Prüfungsaufbauten C2 und C3 stellen wiederum die biaxiale Prüfung von Segmenten 1 dar. Prüfungsaufbauten, die den in 1 bis 3 gezeigten entsprechen, werden zur Durchführung der sequenziellen Ermüdungsprüfung verwendet. In der folgenden Beschreibung und den Ablaufdiagrammen in 4 und 6 bis 12 wird daher auf diese Prüfungsaufbauten Bezug genommen.
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4 zeigt den Ablauf der erfindungsgemäßen sequenziellen Ermüdungsprüfung mit drei Prüfsequenzen. Für einen Prüfkörper, in diesem Beispiel ein Rotorblatt, ist eine Zielbelastungsverteilung Dtarget vorgegeben. Zunächst wird in einer ersten Prüfsequenz SQ1 ein erstes Segment SG1 des Prüfkörpers, das in diesem Fall dem gesamten Prüfkörper entspricht, in Schwenkrichtung geprüft. Dazu wird ein Prüfungsaufbau B1 verwendet. Durch den Aktuator 4 wird das erste Segment SG1 mit einem vorgegebenen ersten Belastungskollektiv, umfassend eine Belastungsamplitude für jeden Querschnitt entlang des ersten Segments SG1, einen Belastungsmittelwert für jeden Querschnitt entlang des Segments SG1 des Prüfkörpers und eine Anzahl Zyklen, angeregt. Dadurch wird eine Prüfbelastungsverteilung Dtest erreicht. Nach Ablauf dieser ersten Prüfsequenz SQ1 wird das erste Segment SG1 in ein zweites Segment SG2 und ein drittes Segment SG3 aufgeteilt. In diesem Beispiel ist das zweite Segment SG2 die Wurzel des Rotorblatts und das dritte Segment SG3 die Spitze des Rotorblatts. Diese Segmente überschneiden daher natürlich mit dem ersten Segment SG1. Zur Prüfung dienen die aus 2 bekannten Prüfungsaufbauten B2 und B3. Die zweite und die dritte Prüfsequenzen SQ2 und SQ3 können gleichzeitig stattfinden. Das zweite und das dritte Segment SG2 und SG3 des Prüfkörpers werden jeweils mit einem zweiten und dritten Belastungskollektiv angeregt. Die in den einzelnen Prüfsequenzen erzielten Prüfbelastungsverteilungen Dtest der einzelnen Segmente akkumulieren sich zu einer Gesamtbelastungsverteilung, die die Zielbelastungsverteilung Dtarget erreicht oder übertrifft.
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Die Ergebnisse der Ermüdungsprüfung aus 4 sind in dem Diagramm in 5 gezeigt. Auf der x-Achse des Diagramms ist die relative Prüfkörperlänge z/L aufgetragen, auf der y-Achse die Prüfbelastungsverteilung bezogen auf die Zielbelastungsverteilung Dtarget. Bereich E zeigt den gesamten zu prüfenden Bereich des Prüfkörpers. Die erste Prüfsequenz SQ1 wird am ganzen Prüfkörper durchgeführt, es wird die Lastkurve A erreicht. Wie zu sehen ist, bleibt diese in den Bereichen F und H unter der Zielbelastung, also Dtest/Dtarget < 1. Im Bereich G wird die notwendige Belastung bereits in dieser Sequenz SQ1 erreicht oder überschritten, Dtest/Dtarget > 1. Für die zweite und die dritte Prüfsequenz wird der Prüfkörper aufgeteilt. In der zweiten Sequenz SQ2 wird ausschließlich das Wurzelsegment SG2 belastet und die Lastkurve B erzeugt. Um die Zielbelastung in Bereich F zu erreichen, wird Bereich I erneut belastet. In der dritten Sequenz SQ3 wird ausschließlich das Spitzensegment SG3 belastet und die Lastkurve C erzeugt. Dabei wird Bereich J erneut belastet um, die Zielbelastung in Bereich H zu erreichen. Die Lastkurven der drei Prüfsequenzen addieren sich zur akkumulierten Gesamtlastkurve D. Für diese gilt Dtest/Dtarget > 1 für den gesamten zu prüfenden Bereich. Die Zielbelastungsverteilung Dtarget wurde also für jeden Querschnitt entlang des Prüfkörpers erreicht oder übertroffen.
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6 zeigt eine Ausführung des Verfahrens, in der nur zwei Prüfsequenzen durchgeführt werden. Hier wird in einer ersten Sequenz SQ1 ein gesamter Prüfkörper als erstes Segment SG1 mit einem ersten Belastungskollektiv in Schlagrichtung angeregt, wobei ein Prüfungsaufbau entsprechend A1 verwendet wird. In einer zweiten Prüfsequenz SQ2 wird ein zweites Segment SG2 mit einem zweiten Belastungskollektiv in einer Prüfung entsprechend A2 angeregt. Die gewonnenen Prüfbelastungen addieren sich im Bereich des zweiten Segment SG2 wieder, wodurch zum Beispiel eine verbesserte Prüfung einer Blattwurzel eines Rotorblatts ermöglicht wird.
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In 7 entspricht das in der ersten Prüfsequenz SQ1 geprüfte erste Segment SG1 dem in der zweiten Prüfsequenz SQ2 geprüften Segment. Bei beiden Segmenten handelt es sich um den gesamten Prüfkörper, der in einem Prüfungsaufbau nach A1 geprüft wird. Der Unterschied zwischen der ersten Prüfsequenz SQ1 und der zweiten Prüfsequenz SQ2 liegt hier nur in den verwendeten Belastungskollektiven. Beispielsweise können Querschnitte des Prüfkörpers nahe des festen Ende des Prüfkörpers durch das erste Belastungskollektiv stärker belastet werden als Querschnitte nahe des losen Endes, während für das zweite Belastungskollektiv das Gegenteil gilt. Zusammen akkumulieren sich diese mindestens zu der vorgegebenen Zielbelastungsverteilung.
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8 stellt eine sequenzielle Ermüdungsprüfung mit vier Prüfsequenzen dar. Die ersten beiden Sequenzen SQ1 und SQ2 entsprechen den Sequenzen aus 7. Danach wird der Prüfkörper in zwei Segmente SG2 und SG3 aufgeteilt. Da diese Segmente nicht mehr miteinander verbunden sind, können die Prüfsequenzen SQ3 und SQ4 gleichzeitig stattfinden, wobei jeweils ein Prüfungsaufbau A2 und A3 verwendet wird. Die vier Belastungskollektive akkumulieren sich und erreichen oder übertreffen die Zielbelastungsverteilung für jeden Querschnitt des Prüfkörpers.
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In 9a ist eine solche sequenzielle Ermüdungsprüfung noch einmal in Schlagrichtung dargestellt. 9b zeigt hingegen die Ermüdungsprüfung mit zwei Prüfsequenzen in Schwenkrichtung. In 9a wird zunächst eine Prüfsequenz SQ1 nach Prüfungsaufbau A1 an einem ersten Segment SG, das dem gesamten Prüfkörper entspricht, durchgeführt. Dann wird in einer zweiten Sequenz SQ2 nach Prüfungsaufbau A3 ein zweites Segment SG2 geprüft. In 9b wird zunächst eine Prüfsequenz SQ1 nach Prüfungsaufbau B1 an einem ersten Segment SG1, das dem gesamten Prüfkörper entspricht, durchgeführt. Dann wird in einer zweiten Sequenz SQ2 nach Prüfungsaufbau B2 ein zweites Segment SG2 geprüft. Beide Prüfungen binden passive Lasteinleitungsmittel in Form von fixierten Massen 3 und elastischen Elementen 5 ein. Diese müssen dabei an die Belastungsrichtung angepasst ausgeführt sein. Wie zu erkennen ist, verlaufen die uniaxialen Ermüdungsprüfungen in eine Belastungsrichtung ansonsten jedoch analog. Die Belastungskollektive in der jeweiligen Belastungsrichtung akkumulieren sich und erreichen oder übertreffen die Zielbelastungsverteilung der Belastungsrichtung für jeden Querschnitt des Prüfkörpers.
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Das in 10 dargestellte Verfahren kombiniert mehrere uniaxiale Prüfsequenzen. In einer ersten Sequenz SQ1 entspricht das erste Segment SG1 dem gesamten Prüfkörper. Dieser wird uniaxial in Schwenkrichtung mit einem ersten Belastungskollektiv angeregt (siehe 2 B1). In der zweiten Sequenz SQ2 wird ebenfalls der gesamten Prüfkörper geprüft, dieser wird jedoch uniaxial in Schlagrichtung mit einem zweiten Belastungskollektiv angeregt (siehe 1 A1). Erst danach wird der Prüfkörper in zwei Segmente SG2 und SG3 aufgeteilt, die dem Wurzelbereich und dem Spitzenbereich eines Rotorblatts entsprechen. Das zweite Segment SG2 wird in der dritten Prüfsequenz SQ3 zunächst in Schwenkrichtung mit einem dritten Belastungskollektiv (siehe 2 B2) und dann in der vierten Prüfsequenz SQ4 mit einem vierten Belastungskollektiv in Schlagrichtung (siehe 1 A2) angeregt. Das dritte Segment SG3 wird währenddessen in der fünften Prüfsequenz SQ5 mit einem fünften Belastungskollektiv in Schlagrichtung angeregt (siehe 1 A3). Auch für dieses SegmentSG3 wären weitere Sequenzen in Schwenkrichtung denkbar, es wird jedoch darauf verzichtet, da sich das erste und dritte Belastungskollektiv in Schwenkrichtung bereits zu der Zielbelastungsverteilung für jeden Querschnitt entlang der Längsachse des Prüfkörpers akkumulieren. Ebenso akkumulieren sich das zweite, vierte und fünfte Belastungskollektiv in Schlagrichtung zu der Zielbelastungsverteilung für jeden Querschnitt entlang der Längsachse des Prüfkörpers. So kann die sequenzielle Ermüdungsprüfung sowohl in Schlag-, als auch Schwenkrichtung uniaxial durchgeführt werden und dennoch eine Prüfung in beiden Belastungsrichtungen erfolgen.
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In 11 ist eine biaxiale Ermüdungsprüfung nach dem Verfahren dargestellt. Dabei werden Prüfungsaufbauten wie in 3 dargestellt verwendet, die die zu prüfenden Segmente gleichzeitig in Schlag- und Schwenkrichtung anregen. In einer ersten Sequenz SQ1 wird der gesamte Prüfkörper als erstes Segment SG1 biaxial angeregt (siehe 3 C1). Dann wird der Prüfkörper aufgeteilt und die Segmente SG2 und SG3 in einer zweiten Sequenz SQ2 (siehe 3 C2) und dritten Sequenz SQ3 (siehe 3 C3) geprüft. So kann die Prüfung in beiden Belastungsrichtungen gleichzeitig erfolgen.
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In 12 werden uniaxiale und biaxiale Prüfsequenzen miteinander kombiniert, um die Zielbelastungsverteilung für jeden Querschnitt des Prüfkörpers in beiden Belastungsrichtungen zu erreichen oder zu übertreffen. Der Ablauf entspricht dabei dem in 10 gezeigten, allerdings erfolgt die Anregung in der ersten Prüfsequenz SQ1 und dritten Prüfsequenz SQ3 biaxial (siehe 3 C1 und C2). Zusätzlich wird das erste Segment SG1 in der zweiten Prüfsequenz SQ2 und das zweite Segment SG2 in einer fünften Sequenz SQ5 uniaxial in Schwenkrichtung angeregt (siehe 2 B1 und B2) und das dritte Segment SG3 in einer vierten Sequenz SQ4 in Schlagrichtung angeregt (siehe 1 A3).
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So lässt sich auch in Bereichen, in denen weitere biaxiale Prüfsequenzen zeitaufwändig wären oder Gefahr laufen würden, die Segmente zu stark zu beschädigen, die Zielbelastungsverteilung für jeden Querschnitt des Prüfkörpers erreichen oder übertreffen.
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele sind nicht begrenzend. Insbesondere können die Merkmale dieser Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.
