Messtechnische Erfassung der Belastungsgrenzen und Identifikation der Materialparameter von Composite Flywheel-Rotoren

Abstract

Moderne hochdrehende Schwungradspeicher (Flywheels) stellen eine ökonomisch nachhaltige und dezentrale Speichermöglichkeit für elektrische Energie dar. Bei derart hohen Drehzahlen werden vorwiegend Faserverbundwerkstoffe verwendet, um den speicherbaren Energieinhalt bezogen auf die Rotormasse zu maximieren. Die Kenntnis von Festigkeits- und Steifigkeitsparametern ist von essentieller Bedeutung um Schäden vermeiden zu können. Ein Rotorbruch bei maximaler Drehzahl würde, aufgrund des hohen Energieinhalts, erhebliche Schäden zumindest am System hervorrufen.<br />Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, wie die für eine Finite Elemente Analyse benötigten Steifigkeits- und Festigkeitsparameter eines unidirektionalen carbonfaserverstärkten Kunststoffs bestimmt werden können. Die Bestimmung der Parameter erfolgt mit Hilfe dreier genormter Zugprüfungen, wodurch die Probekörpergeometrien eindeutig festgelegt werden. Für eine realitätsnahe Identifikation muss das zu prüfende Material aus dem verwendeten Rotormaterial bestehen und in der gleichen Art und Weise gefertigt werden. Zur Herstellung der Proben wird ein spezieller Wickelkern aus Aluminium gefertigt. Es werden zwei Wickelvorgänge benötigt, um das Rohmaterial für alle benötigten Proben herzustellen. Nach erfolgreicher Assemblierung der Probekörper zur Probe können die einzelnen Zugprüfungen durchgeführt werden. Zur Vereinfachung der Auswertung sollten die Dehnungen mit einem optischen Verformungsmessgerät bestimmt werden.<br />Die Modalanalyse wird zur Bestimmung der Eigenfrequenzen, Eigenformen und Dämpfungen einer Struktur verwendet. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird versucht diesen Weg umgekehrt zu gehen, um die elastischen Parameter von rechteckigen Platten zerstörungsfrei zu ermitteln. Durch die messtechnische Bestimmung der Eigenfrequenzen und der Annäherung der Eigenformen, mit den Lösungen der Bewegungsgleichung für rechteckige anisotrope Platten, kann eine direkte Identifikation durchgeführt werden. Mit der in der Platte gespeicherten Energie und mit Zuhilfenahme der Lagrangeschen Bewegungsgleichungen wird ein Gleichungssystem aufgestellt, welches als Ergebnis die gesuchten Parameter liefert.<br />Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit Rotortesteinrichtungen zur Validierung der Finite Elemente Simulation. Darin werden Möglichkeiten dargestellt um eine dem verwendeten Rotor ähnliche Geometrie statisch so zu belasten, dass der Versagenspunkt und die Verformungscharakteristik mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen im Flywheel möglichst übereinstimmen. Die statische Rotortesteinrichtung besteht aus einer Vorrichtung welche in verschiedenen Schwerlastpressen montiert werden kann. Mit einer synchronen Dehnungs- und Kraftmessung kann die Finite Elemente Simulation validiert werden.<br />Weiters wird eine dynamische Rotortesteinrichtung vorgestellt und mit der statischen Rotortesteinrichtung verglichen.<br />

Modern high speed flywheels provide an economical, sustainable and decentralized possibility to store electrical energy. Mainly composite materials are used to maximize the stored energy at such a high speed. The knowledge of strength and stiffness parameters is very important in order to avoid damage. A rotor breakage at maximum speed would cause a significant damage at least to the system itself because of the high energy content.<br />The first part of this diploma thesis provides a guide to determine the stiffness and strength parameters of an unidirectional carbon fiber reinforced plastic, which are needed for a finite element analysis. The determination of the parameters is carried out by using three standardized tensile tests. The test specimens of these standardisations are clearly defined. For a realistic identification the test specimen have to be made of the same material and have to be prepared in the same manner as the used rotor material. For the preparation of the samples, a special winding core made of aluminum is designed. Two winding operations are needed to guaranty the raw material required for all samples. The individual tensile tests are carried out after successful assembly of the test specimen to the samples. An optical deformation measuring device will be used to simplify the strain determination.<br />The modal analysis is basically used to analyze the natural frequencies, mode shapes and damping of a structure. The second part of this work tries to determine the elastic parameters of rectangular plates. This nondestructively determination works in an opposite manner than the modal analysis. The direct identification can be performed by measuring the natural frequencies and by approximating the mode shapes using the solutions of the equation of motion for anisotropic rectangular plates.<br />By using the stored energy in the plate and Lagrange's equations of motion, a system of equations can be set up that provides the desired parameters.<br />The third part of this thesis deals with rotor test facilities to validate the finite element simulation. For this reason possibilities for a static rotor test facility where developed to test the used rotor or a similar geometry. For that purpose the failure point and the deformation characteristics have to correspond to the actual flywheel operating conditions in case of static loading. The static rotor test facility consists of a rig which can be mounted in different heavy duty presses. By using a synchronized strain and force measurement, the finite element simulation can be validated. A dynamic rotor test facility is also presented and afterwards compared to the static rotor test facility.<br />