Lebensdauerverlängerungen von Offshore-Windenergieanlagen mit Hilfe lokal-globaler digitaler Zwillinge

• Antragsteller: Professor Dr. Elyas Ghafoori; Professor Dr.-Ing. Clemens Hübler
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574458861

Die Bemessung von Stahlkonstruktionen gemäß Eurocode 3 basiert auf dem Vergleich von Lasten/Einwirkungen und Widerständen, wobei die Widerstände die Lasten/Einwirkungen unter Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren übersteigen müssen. Bei Offshore-Windenergieanlagen erfordern Lebensdauerverlängerungen präzise Neubemessungen der Struktur, bei denen genaue Lastmodelle, die die Umgebungs- und Betriebsbedingungen widerspiegeln, und lokale Ansätze zur Bestimmung der Widerstände verwendet werden. Dieses Projekt schlägt einen Paradigmenwechsel hin zu lokal-globalen digitalen Zwillingen vor, um Lasten auf der Grundlage kontinuierlich gemessener Umgebungs- und Betriebsbedingungen und Widerstände unter Verwendung realer Oberflächengeometrien effizienter zu bewerten. Durch den Übergang von konservativen Lastannahmen und nominalen Geometrien während der Bemessung hin zu tatsächlich aufgetretenen Lasten und real gescannten geometrischen Parametern kritischer struktureller Details ermöglicht dieser Ansatz eine genaue Abschätzung der verbleibenden Lebensdauer. So wird das Potenzial für eine Lebensdauerverlängerung erschlossen. Allerdings ist dieser Paradigmenwechsel auf Basis des aktuellen Stands der Forschung noch nicht möglich. Auf globaler Ebene ist die Berechnung der kompletten Lasthistorie mit Hilfe gemessener Umgebungs- und Betriebsbedingungen unter Verwendung aeroelastischer Simulationsmodelle aufgrund des hohen Rechenaufwands nicht durchführbar. Eine Alternative zu aeroelastischen Simulationsmodellen sind Metamodelle, die schadensäquivalente Lasten effizient abschätzen können. Aktuelle Metamodelle sind aufgrund ihrer Fokussierung auf schadensäquivalente Lasten jedoch ungeeignet für lokal-globale digitale Zwillinge, die detaillierte Lastzeitreihen oder die Anzahl der Lastzyklen erfordern. Dieses Projekt adressiert diese Forschungslücke durch die Erforschung effizienter Metamodelle, die auf Anwendungen mit digitalen Zwillingen zugeschnitten sind. Auf lokaler Ebene erfordert eine genaue Abschätzung der Lebensdauer von Strukturdetails rechnerisch effiziente Ansätze zur Verarbeitung realer 3D-Scans kritischer Bereiche, wie z. B. Schweißnähte. Bestehende Methoden weisen im Bereich der lokalen Ermüdungsanalyse hohe Rechenzeiten auf. Um diese zu reduzieren, schlägt das Projekt ein neuartiges Metamodell-Framework für die lokale Ermüdungsbewertung vor. Dieses Framework verwendet 3D-gescannte Geometrien, um den Widerstand und die Restlebensdauer realistisch zu bewerten, indem lokale geometrische und Materialeigenschaften einbezogen werden. Diese Innovationen in der globalen und lokalen Modellierung sollen eine zuverlässige und effiziente Neubemessungen der Substrukturen von Offshore-Windenergieanlagen ermöglichen und so nachhaltige Lebensdauerverlängerungen und infolgedessen die Wirtschaftlichkeit unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen