Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPAuf schwimmenden Mehrzweckplattformen in Offshore-Windparks sollen zur Lagerung elektrischer Komponenten Verbundisolatoren eingesetzt werden. Derartige Faserverbundisolatoren bestehen in der Regel aus einem lasttragenden Kern zur inneren Isolation aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sowie metallischen Anschlussarmaturen zur Befestigung und Lasteinleitung. Eine äußere Polymerhülle dient sowohl der zusätzlichen Isolierung, als auch dem Schutz vor schädigenden Umwelteinflüssen auf den GFK-Stab.
Problemstellung
Nach aktuellem Stand der Technik werden Verbundisolatoren in Konverterstationen bei stationärem Einsatz überwiegend statisch beansprucht. Konstruktion und Bemessung der Bauteile sind dementsprechend auf statische Lasteinwirkung ausgelegt. Mit dem Offshore-Einsatz von schwimmenden Mehrzweckplattformen ergeben sich durch äußere Einwirkungen, wie beispielsweise Wind-, Wellen- oder Strömungslasten, erhöhte Bauteilanforderungen insbesondere hinsichtlich der Tragfähigkeit. Die Faserverbundstruktur und deren Anschluss unterliegt folglich komplexer dynamisch zyklischer Belastungen. Die Verbindung zwischen Faserverbundstab und Endarmatur wird überwiegend als Pressverbindung ausgeführt. Verfahrensbedingt ergeben sich lokale Spannungsüberhöhungen, welche in intralaminare Druckschäden (insbesondere Zwischenfaserbrüche) im Verbundstab resultieren können. Derartige Vorschädigungen gefährden bei zyklisch einwirkender Last die Betriebssicherheit des Bauteils.
Zielsetzung und Lösungsweg
Das Ziel dieses Themenkomplexes im Wachstumskern liegt in der Entwicklung einer Technologie für elektrisch isolierende Faserverbundstrukturen zur zuverlässigen Nutzung auf schwimmenden Mehrzweckplattformen. Hierzu werden vorhandene Konzepte sowohl werkstofflich als auch konstruktiv optimiert. Die Basis für die materialseitige Optimierung bilden experimentelle Untersuchungen mit statischer sowie dynamisch zyklischer Beanspruchung. Es werden unterschiedliche Halbzeuge sowie verschiedene Fertigungsverfahren analysiert und im Labormaßstab zur Probekörperherstellung angepasst. Sowohl werkstoffliche Parameter als auch die Fügeverbindung zwischen GFK-Stab und Krafteinleitungselementen werden anhand numerischer Simulation und experimenteller Prüfung untersucht. Die übergeordnete Zielstellung liegt in einem zuverlässigen Dauerfestigkeitsnachweis der Verbundisolatoren basierend auf analytischen, numerischen sowie experimentellen Methoden.
Nutzen
Mit den erzielten Arbeitsergebnissen können Isolatorkonstruktionen entwickelt werden, die im Offshore-Bereich einsetzbar sind. Die weiterentwickelten Verbundisolatoren gewährleisten den über die Gesamtlebensdauer sicheren Einsatz der GFK-Bauteile anhand der nachgewiesenen, gesteigerten Dauerfestigkeit. Zahlreiche experimentelle Untersuchungen an Material und Bauteilkomponenten ergeben entscheidende Erkenntnisse zur Lebensdaueroptimierung struktureller Composite-Bauteile. Die entwickelte Auslegungsmethodik lässt sich zum Nachweis der Betriebsfestigkeit auch auf vergleichbare Faserverbundbauteile übertragen. Die bei Verbundstrukturen üblicherweise kritische Lasteinleitung kann anhand der entwickelten Fügetechnologien optimiert werden.