Eine schwimmende Solarfarm in der Nordsee erlitt nach einem moderaten Sturm einen katastrophalen Zerfall. Der Ausfall war nicht auf die Windstärke zurückzuführen, sondern auf die Ermüdung der elastomeren Verbinder, die die Paneele miteinander verbinden. Die anschließende Analyse unter Verwendung von OrcaFlex zur Modellierung der Hydrodynamik und SolidWorks Simulation für die Strukturuntersuchung ergab, dass die hochfrequente Wellenbewegung einen kombinierten Lastzustand aus axialer Spannung und Torsion erzeugte, der die zyklische Festigkeit des Materials überstieg.
Modellierung kombinierter Lasten und Simulation mehrachsiger Ermüdung 🌊
Der Simulationsprozess begann in OrcaFlex, wo eine 3D-Geometriedatei der Solarinsel aus Rhino 3D importiert wurde. Es wurde ein unregelmäßiges Wellenspektrum mit einer signifikanten Wellenhöhe von 1,5 Metern und einer Spitzenperiode von 4 Sekunden definiert, das die Sturmverhältnisse simulierte. Die Software berechnete die Kräfte und Momente an jedem Verbinder und exportierte Zeitreihen von Spannung und Torsion. Diese Lastkurven wurden als Eingaben für eine mehrachsige Ermüdungsanalyse in SolidWorks Simulation eingegeben. Das Soderberg-Ermüdungskriterium für Elastomerwerkstoffe wurde angewendet, wodurch Spannungskarten erstellt wurden, die kritische Konzentrationen an der Basis des Verbinders zeigten. Die Simulation prognostizierte eine Lebensdauer von nur 18 Monaten, was mit physikalischen Labortests übereinstimmte, die den Lastzyklus mit einer servohydraulischen Maschine nachbildeten.
Lehren für die Konstruktion flexibler Offshore-Verankerungen 🔧
Der Ausfall offenbart eine inhärente Schwäche aktueller Konstruktionen: das Fehlen einer Torsionsermüdungsanalyse bei Verbindern, die zwar flexibel, aber anfällig für Resonanz durch kurze Wellen sind. Der Verbesserungsvorschlag umfasst einen Verbinder mit einer helixförmigen Geometrie, die die Torsion entlang seiner Achse ableitet, sowie eine Umstellung des Elastomerverbundes auf einen mit höherer innerer Dämpfung. Die validierte Simulation zeigt, dass es möglich ist, diese Ausfälle mit einem integrierten Arbeitsablauf zwischen OrcaFlex und SolidWorks Simulation vorherzusagen, was Kosten für physische Prototypen spart.
Was war die Grundursache für den Torsionsermüdungsausfall an den Verbindern der marinen Solarfarm und welche Konstruktionsparameter sollten neu bewertet werden, um ähnliche Ausfälle unter moderaten Sturmbedingungen zu vermeiden?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)