Rotorblätter von Windenergieanlagen mit einer Nennleistung von mehr als 20 MW werden eine Länge von mindestens 150 m erreichen 13 und aufgrund des Trends zu Rotoren mit niedriger Induktion eine ultraschlanke Formgebung aufweisen, siehe auch TP B02. Auf derartige Megastrukturen wirken enorme Beanspruchungen aus Eigengewicht und aerodynamischen Kräften, sodass klassische Entwurfsmethoden mit weitgehend vorgegebenen Strukturtopologien bzw. Skalierungsregeln an ihre Grenzen stoßen – trotz moderner lastreduzierender Regelungsstrategien. Aufgrund der Größe und Schlankheit der Rotorblätter wird ein materialgerechter Strukturentwurf mit maximaler Leichtbaugüte zunehmend wichtig. So ein Entwurf wiederum stellt hohe Anforderungen an die rechnerische Beschreibung des strukturdynamischen Verhaltens von Rotorblättern und die Erfassung der Anlagendynamik. Nur mit hochgenauen und recheneffizienten Berechnungsmethoden lassen sich die Beanspruchungen der Rotorblattstruktur ermitteln und in einen materialgerechten Strukturentwurf überführen.

Die branchenübliche, erfahrungsorientierte und evolutionäre Weiterentwicklung bestehender Anlagen kann für Nennleistungen jenseits der 20 MW nicht zielführend sein, da die Beanspruchungen aus dem Eigengewicht der Rotorblätter überproportional mit der Blattlänge wachsen. Neue Bauweisen und Materialkombinationen können dabei helfen, die außerordentlich hohen Beanspruchungen aufzunehmen und an nachgelagerte Komponenten weiterzugeben. Dafür werden Optimierungsmethoden mit neuen und bisher nicht verfügbaren Parametersätzen und speziell angepassten Nebenbedingungen benötigt. Diese müssen einerseits die spezifischen anisotropen Eigenschaften von Faserverbundmaterialien ausnutzen und andererseits neue Bauweisen, die z. B. zusätzliche diskrete Versteifungen erlauben, bewerten können. Die Sicherstellung der Fertigbarkeit derartiger Bauweisen spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Hinzu kommen zyklische Querschnittsdeformationen in der Querschnittsebene des Blatts während des Betriebs von Windenergieanlagen. Dieses sogenannte Blattatmen tritt insbesondere im hochbelasteten Innenbereich des Rotors und bei sehr großen und flexiblen Rotorblättern auf. Der Einfluss des Blattatmens auf das strukturdynamische Verhalten von Rotorblättern und die Anlagendynamik wurde bisher kaum erforscht. Es fehlt an Grundlagenwissen, wie das Blattatmen im Rahmen einer Gesamtanlagensimulation quantifiziert und in eine materialgerechte Strukturoptimierung eingebunden werden kann. Die sich ergebende Arbeitshypothese dieses Teilprojekts lautet: Ein wirtschaftlicher Entwurf von Rotorblättern der Leistungsklasse > 20 MW kann nur durch einen rasanten Entwicklungssprung realisiert werden, der mittels effizienter Optimierungsmethoden mit erweitertem Parameterraum und Berücksichtigung der wesentlichen lokalen Effekte bereits in der Modellbildung ermöglicht wird.

Ziel des beantragten Teilprojekts ist die Erforschung von Optimierungsmethoden für den Strukturentwurf von Rotorblättern, die einen neuen und erweiterten Entwurfsparameterraum integrieren, um neuartige Bauweisen und Materialkombinationen für Rotorblätter zu ermöglichen. So sollen einerseits neue Strukturtopologien mit zusätzlichen diskreten Versteifungen und andererseits Multimateriallösungen in den Strukturentwurf eingebunden werden. Das Optimierungsproblem ist dazu so zu formulieren, dass im Entwurfsprozess mit möglichst geringem numerischem Aufwand eine Vielzahl von Entwurfsvarianten schon im Vorentwurf bewertet werden kann. Es soll Grundlagenwissen geschaffen werden, wie das Rotorblatt zu parametrisieren ist, sodass diskrete Variablen der Strukturtopologie bzw. Materialkombinationen kontinuierlich und konvex für eine gradientenbasierte Optimierung mit geringen Rechenzeiten abgebildet werden. Außerdem sollen Nebenbedingungen für die Grenzzustände der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit für neue Bauweisen unter Berücksichtigung der Fertigbarkeit formuliert werden, sodass Anforderungen aus dem 3D-Tragverhalten in querschnittsbasierten Optimierungsstrategien bewertet werden können.

Wesentliche lokale Effekte wie beispielsweise das Blattatmen, die den Gesamtentwurf maßgeblich beeinflussen, sind im Vorentwurf bereits zu berücksichtigen. Ein weiteres Ziel ist daher die Erarbeitung von Grundlagenwissen hinsichtlich der Voraussetzungen, unter denen das Blattatmen auftritt, der Einflüsse des Blattatmens auf die Anlagendynamik und die resultierenden Materialbeanspruchungen im Blatt sowie der Auswirkungen der veränderten Beanspruchungen auf den Strukturentwurf des Blatts. Dazu sollen Simulationsmethoden erforscht, implementiert, validiert und angewendet werden, die die Quantifizierung des Blattatmens ermöglichen. Die Methoden sollen in ein neues – bisher nicht existierendes – Balkenmodell, das weitestgehend alle Einflüsse des Blattatmens auf das 3D-Strukturverhalten und die Aerodynamik von Rotorblättern berücksichtigt und bereits in der Anlagensimulation eingesetzt werden kann, überführt werden. Durch die Integration des Balkenmodells in den Digitalen Zwilling und die Anwendung der entwickelten neuen Optimierungsmethoden können die Einflüsse von Blattatmen und Bauweisen auf die Anlagendynamik und den Strukturentwurf evaluiert werden, sodass zukünftig gewichtsoptimierte und materialgerechte Strukturentwürfe für sehr große und ultraschlanke Rotorblätter möglich sind.