Geavanceerde composieten spelen een cruciale rol in het streven naar een koolstofneutrale toekomst. Ze maken namelijk constructies mogelijk die zowel resistent als licht zijn, en dus energie-efficiëntie bevorderen, bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaart en de windturbinesector. Deze grote composietconstructies worden steeds vaker gebruikt en dat roept vragen op over hun schadetolerantie en levensduur. Deze worden op het moment meestal met onnauwkeurige en tijdrovende technieken beoordeeld. Constructies op deze schaal staan bloot aan extreme belastingen en spanningen, vooral wanneer ze zijn geoptimaliseerd voor zo weinig mogelijk materiaalgebruik. Om de integriteit van de lichtgewicht constructies voor een klimaatneutrale en duurzame toekomst op lange termijn te kunnen waarborgen, is een nauwkeurige en betrouwbare vermoeiingsbeoordeling noodzakelijk. Daarom streeft D-STANDART naar het ontwikkelen van snelle en efficiënte methoden om de duurzaamheid van grootschalige composietconstructies met willekeurige lay-ups onder realistische omstandigheden (belastingen, omgevingsinvloeden) te modelleren.
De nieuwste technologie
Momenteel zorgt het gebrek aan inzicht in de vermoeiing van composietmaterialen ervoor dat doorgaans conservatieve ontwerpbenaderingen worden gehanteerd. Zo wordt voorkomen dat fabricagefouten of onopgemerkte impactschade leiden tot scheurgroei en catastrofaal falen. Hoewel deze voorzichtigheid in de aanpak voor extra productveiligheid zorgt, staat deze optimalisering van gewicht en materiaalgebruik in de weg. Door de beperkte toegang tot moderne vermoeiingsmodellen voor composieten zijn fabrikanten nog steeds sterk afhankelijk van dure en tijdrovende testcampagnes om hun ontwerpen te valideren.
“Karakterisering van vermoeiing is cruciaal voor de toepassing van composietmaterialen” – projectleider Vis Dhanisetty van NLR
In feite is de meeste vermoeiingsmodellering van composietmateriaal in de huidige ontwerpgereedschappen gebaseerd op hypothetische uitbreidingen van metaalvermoeiingsmodellen voor composietconstructies. Als gevolg hiervan worden composietmaterialen niet gemodelleerd volgens de nieuwste wetenschappelijke inzichten, waardoor ze minder efficiënt of effectief worden toegepast dan het geval zou zijn met de nieuwe modellen die sinds kort beschikbaar zijn.
De aanpak van D-STANDART
Om het volledige potentieel van composieten te benutten, en daarmee het constructiegewicht te verminderen, de levensduur te verlengen en de milieu-impact te verlagen, benadert D-STANDART het probleem vanuit drie invalshoeken: Door de karakterisering van de vermoeiingseigenschappen van composietmaterialen te versnellen, de noodzaak te elimineren om elk type lay-up afzonderlijk te testen en de modelleringsmogelijkheden te ontwikkelen om het gedrag van grootschalige constructies met complexe geometrieën en mogelijke fabricagefouten te relateren aan de resultaten van coupontesten.
Daarom zal D-STANDART op basis van generieke monsters nieuwe testmethoden ontwikkelen om materiaalparameters die de duurzaamheid van composieten onder cyclische belasting beïnvloeden, op juiste wijze te kwantificeren. Door gebruik te maken van hoogfrequente testmethoden zal de testtijd sterk worden verkort. Deze hoogfrequente testen worden mogelijk gemaakt door de temperatuurafhankelijkheid te verkleinen, waarbij rekening wordt gehouden met de zelfverhitting die tijdens dergelijke testen optreedt. De materiaalkarakterisering zal worden gebruikt in high-fidelity-modellen om defectgroei in verschillende lay-ups en op verschillende schalen te simuleren, afhankelijk van cyclische belasting en snelheid. Om deze modellen toe te passen in een industriële ontwerpomgeving, zal D-STANDART gebruikmaken van AI-surrogaatmodellen, die getraind zijn met testgegevens uit het project en historische testgegevens. Deze modellen kunnen zich moeiteloos aanpassen aan verschillende ontwerpparameters en complexe lay-ups, wat de ontwikkeling, acceptatie en commercialisering van geavanceerde componenten versnelt.
Projectleider Vis Dhanisetty: “Karakterisering van vermoeiing is cruciaal voor de toepassing van composietmaterialen. Deze materialen zijn essentiële factoren voor het bevorderen van duurzaamheid in de luchtvervoer- en energiesectoren. Daarom zal D-STANDART kennis opbouwen over composietmaterialen onder vermoeiingsbelasting en de time-to-market van composietproducten verkorten.”
Er zijn twee uitgangspunten (use cases) geselecteerd om de gemodelleerde duurzaamheidsprestaties te valideren in de lucht- en ruimtevaart en de duurzame-energiesector. Bovendien zullen circulariteit en duurzaamheid worden beoordeeld op basis van specifieke levenscyclusbeoordeling, levenscycluskostenberekeningen en kosten-batenanalyses.
Het consortium
Bij D-Standart zijn negen partners uit vier landen betrokken (Frankrijk, Duitsland, Nederland en het Verenigd Koninkrijk). De adviesraad, bestaande uit zes eindgebruikers (Rolls Royce, Fokker Aerostructures, Leonardo, Siemens Gamesa, Embraer, Coexpair), zal het consortium ondersteunen door de eisen te valideren, de certificeringsaanpak van het project te begeleiden en ten slotte de toepassing van de resultaten te ondersteunen in nauwe samenwerking met de European Materials Modelling Council (EMMC) en de European Materials Characterisation Council (EMCC).
NLR coördineert het project en is verantwoordelijk voor de vermoeiingstesten, de validatie van het vermoeiingsmodel van composietmaterialen en het opzetten van de digitale draad. De andere partners van het project zijn: Universiteit Twente, Universiteit van Bristol, NCC Operations, iCOMAT, TU Delft, MSC Software (onderdeel van Hexagon), L-up, en SE Blades Technology. Meer informatie over het project is te vinden op hun website (https://d-standart.eu/).
Lees meer
Lees ook onze eerder gepubliceerde artikelen over de whitepaper ‘Aircraft structural design in the future‘ en over de purchase of an electric 20kN fatigue machine.
Voor meer informatie kunt u ook terecht op de pagina’s over het NLR-programma ‘Ontwikkeling van lucht- en ruimtevoertuigen‘ op onze website.
Opvattingen en meningen in dit artikel zijn uitsluitend die van de auteur(s) en komen niet noodzakelijkerwijs overeen met die van de Europese Unie. Noch de Europese Unie, noch de subsidieverlenende autoriteit kan hiervoor verantwoordelijk worden gehouden.
D-STANDART is een driejarig onderzoeksproject dat wordt gefinancierd door de Europese Commissie in het kader van het programma Horizon Europe (subsidieovereenkomst nr. 101091409).
