Der katastrophale Ausfall eines Hauptventilators in einem Indoor-Windkanal während einer Fallschirmsprung-Sitzung führte zur Herausschleuderung von Metallfragmenten gegen den Kanal. Unsere 3D-Pipeline integrierte Daten zur Strukturverformung, Fluiddynamik und geometrischen Rekonstruktion, um die Grundursache zu ermitteln: Ermüdung durch asymmetrische Lastzyklen. Dieser Artikel beschreibt den forensischen Prozess unter Verwendung von Siemens Star-CCM+, GOM Inspect und Autodesk Inventor.
CFD-Modellierung und Messung von Verformungen nach dem Versagen 🌀
Die Punktwolken des beschädigten Kanals und der verbleibenden Schaufeln wurden von GOM Inspect in Autodesk Inventor importiert, um die verformten Geometrien zu rekonstruieren. Mit Star-CCM+ wurde der Luftstrom bei 160 km/h simuliert, wobei Rezirkulationszonen erkannt wurden, die ungleichmäßige pulsierende Lasten auf jede Schaufel erzeugten. Die Analyse der Eigenspannungen ergab Spannungskonzentrationen an der Wurzel der Schaufeln gegenüber der Aufprallzone. Die Aufprallmarkierungen im Kanal wurden mit der Schaufeldurchgangsfrequenz korreliert, was bestätigte, dass das Versagen nach 1,2 Millionen asymmetrischen Biegezyklen begann. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme zeigten eine deutliche Hysterese im Material, was auf eine Kurzzeitermüdung hindeutet.
Lehren aus der asymmetrischen Belastung bei der Turbinenkonstruktion ⚙️
Dieser Fall zeigt, dass symmetrische Ermüdungsmodelle den tatsächlichen Verschleiß in Windkanälen unterschätzen. Die Kombination von stationärer CFD mit einer Modalanalyse in Inventor ermöglichte die Identifizierung, dass die Kanalgeometrie die Schwingungen in einem kritischen Bereich verstärkte. Für zukünftige Konstruktionen wird empfohlen, Echtzeit-Verformungssensoren und hexaedrische Netze in Star-CCM+ zu integrieren, die die Druckgradienten im Nachlauf erfassen. Die 3D-Rekonstruktion mit Cinema 4D erleichterte die forensische Visualisierung für den Sicherheitsbericht.
In Anbetracht der dokumentierten Fragmentherausschleuderung und des katastrophalen Versagens: Welche 3D-forensische Analysemethodik ermöglicht es, zwischen einem Riss, der durch reine asymmetrische Ermüdung entstanden ist, und einem, der sich aufgrund von Herstellungsfehlern in der Legierung der Turbinenschaufel ausgebreitet hat, zu unterscheiden?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)