Materialemodellering

Materialemodellering i verdensklasse: fra atomer til strukturer

Af Lisbeth Lassen
På DTU Mekanik findes der en stærk tradition for et fagligt samarbejde på tværs af sektionerne omkring materialemodellering, et samarbejde der skaber forskning i verdensklasse indenfor materialemodellering på alle skalaer, fra atomart niveau til fuldskala emner.

Samarbejdet indeholder mange muligheder for fremtiden i forbindelse med det forskningsstrategiske arbejde og adgangen til nye faciliteter som ESS, European Spallation Source, og MAX IV i Lund. Det eksisterende forskningsfællesskab har at gøre med emnet hårde materialer.

REWIND Centeret: materialemodellering af vindmøllekomponenter
Tre sektioner på instituttet, FAM (Faststofmekanik), MPP (Proces- og Produktionsteknologi) og MTU (Materiale- og Overfladeteknologi), har allerede et stærkt samarbejde i forbindelse med materialemodellering, blandt andet i forbindelse med REWIND centeret som blev etableret i starten af 2011 og støttet af Det strategiske Forskningsråd.

I centeret REWIND har forskningen drejet sig om at kortlægge hvad der sker med vindmøllekomponenterne under de meget voldsomme belastninger, som de udsættes for når vindmøllen er i brug. En vindmølle er nemlig udsat for belastninger som variationer i vindstyrken, rotoren omdrejninger og samspillet med generatoren indeni nacellen. Belastningerne kan føre til fejl og sammenbrud før tid hos de enkelte komponenter, eller større sammenbrud for hele vindmøllen. 

Grunden til problemerne skal ofte findes i hvordan komponenterne oprindeligt blev fremstillet, for her findes vigtige årsager til hvorfor komponenternes materialer senere opfører sig på bestemte måder. Det kan for eksempel være støbeprocessen af rotorens hjulnav og hovedakslen, og smedningen af hovedlejer og geardele. Både støbningen og smedningen er processer som kan forårsage uensartede indre strukturer i materialerne, og altså skabe spændinger eller stresstilstande som har en negativ betydninger for komponenternes performance under brugen. Derfor har forskningen i centeret taget udgangspunkt i hele kæden ”materialer – processer – komponenter – belastninger – performance”, for at man på længere sigt kan opnå en bedre pålidelighed og holdbarhed af hele vindmøllen.

Photo: Colourbox
Foto: Colourbox.

Nyudviklede materialemodeller giver indsigt i komponenternes levetid og performance
Siden REWIND Centeret begyndte i 2011, har de forskellige forskningsprojekter leveret ny indsigt til en bedre forståelse af forholdet mellem materialer, produktionsforhold og belastninger. Helt konkret vil det sige, at man for eksempel har udviklet numeriske modeller for simulering af fremstillingen af de metaldele i vindmøllen som udsættes for hårde belastninger. Man har også udviklet modeller for materialernes pålidelighed og forventede levetid, på baggrund af mekaniske test og undersøgelser af mikromekaniske defekter. Så har man udviklet en numerisk model som er et radskab til en bedre forståelse af forholdet mellem forskellige overfladebehandlinger og materialets mikrostruktur. Man er også kommet frem til en bedre forståelse af hvordan træthedsbrud udvikles, dels via numerisk modellering og eksperimentelle observationer, og ud fra dette har man udviklet modeller for støbe- og smedeprocesser så man er i stand til at kunne forudsige den færdige komponents mekaniske egenskaber. I projekterne har man også udviklet modeller til beregning af sandsynlighed i forhold til ophobning af defekter og skader for særlig vigtige komponenter, modeller som er færdigudviklet på baggrund af informationer fra forsøg og målinger, både under fremstilling og anvendelse af komponenten.

De mange nye modeller er redskaber som vil give en langt bedre forståelse af hvilken ydeevne og levetid, man reelt kan forvente af de forskellige komponenter hos vindmøllen.

”Udviklingen af modellerne sker ud fra multifysik problemstillinger, det vil sige termiske og faststof-, fluid- og materialemekaniske problemstillinger, og det kræver et stærkt samarbejde mellem de forskellige faggrupper her på instituttet,” siger professor og sektionsleder for Proces- og Produktionsteknologi, Jesper Hattel.

Modellerne bliver også allesammen tilpasset ud fra data indsamlet fra forsøg og testopstillinger.

Materialemodellering og de nye testfaciliteter
Når modeller for hvordan materialer opfører sig under forskellige forhold og belastninger skal blive så præcise som muligt, så har det stor betydning at man tilpasser dem ud fra informationer som indsamles med forsøg og testopstillinger. Det er blandt andet sket i CASMaT, Villum Center for Advanced Structural and Material Testing på DTU, hvor man kan undersøge materialer og komponenter lige fra fuldskala, for eksempel vindmøllevinger, og til test på mikroskala niveau med et elektronmikroskop.

”Villumcenteret er en vigtig brik i det store billede,” fortæller professor og sektionsleder for Faststofmekanik, Christian Niordson, ”her kan vi nemlig teste materialerne i hele, store komponenter og udsætte dem for store belastninger så vi får indsigt i de mekaniske egenskaber og performances.”

Materialemodellering
Testopstilling med vindmøllevinge, CASMaT, Villum Center for Avanceret Konstruktions- og Materialetest.

”Den store bølge indenfor materialeforskning for tiden er, at man bruger modellering til at forudsige og designe materialer,” siger professor og sektionsleder for Materiale- og Overfladeteknologi, Marcel Somers.
”Men vi har vendt det om og sat modelleringen i fokus, og så vil vi bruge de forskellige testfaciliteter som CASMaT, ESS og MAXIV til at validere modellerne.”

Digitalisering og materialemodellering
Når man først har udviklet materialemodellerne, så kan man bruge dem til at forudsige hvordan en komponent vil opføre sig under bestemte produktionsforhold, og senere hvordan den arter sig under forskellige belastninger når den er taget i brug. Det er også hvad man kalder komponenten eller produktets digitale tvilling.

”Her på instituttet ser vi det fysiske produkt og modelleringen af det,” fortæller Jesper Hattel, ”og på DTU Management Engineering ser man så på produktionsplanlægningen. Vi ser på produktionskæden, det vil sige fra fremstillingen hvor man vælger design, materialer og produktionsform, til den konkrete produktion og frem til brugen af produktet eller komponenten.” 

Integreret modellering

Illustration: den fysiske del og digital twin delen.

Når man taler om den digitale tvilling, så er det altså ikke bare i forhold til komponenten eller produktet i sig selv, men til hele den sammenhæng som det indgår i. Så materialemodellering har store perspektiver set i sammenhæng med hele digitaliseringen af produktionsindustrien. Det kan nemlig give et overblik over produktionsprocessen i realtid, at man kan indarbejde nye design løbende, teste design og komponenter virtuelt inden de produceres og tages i brug, og selve produktionen kan justeres undervejs når man opfanger fejl.

Fakta om REWIND
Centeret blev startet i 2011 og afsluttes i 2017. Centeret har ansat 11 ph.d.’er og 5 postdocs. De 12 partnere består af 5 universitetsenheder: DTU Mekanik, DTU Vind, Aalborg University, Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie, Inst. für Angew. Materialforschung, Indian Institute of Technology, Kanpur, Department of Mechanical Engineering.
Industripartnere: DONG Energy, VATTENFALL, Research and Development Wind Power and Future Development, VESTAS Wind Systems, Department of Mechanical Systems, MAGMA GmbH.

Fakta om CASMaT
CASMaT, Villum Center for Advanced Structural and Material Testing, er et samarbejde mellem DTU Mekanik, DTU Vind og DTU Byg. Testcenteret
blev til med en donation på 76 mill. kr. fra Villum Fonden. Udstyret i centeret består dels af udstyr doneret af Villum Fonden, dels af eksisterende udstyr på DTU. DTU og Bygningsstyrelsen finansierer to nye bygninger, som opføres på Lyngby og Risø Campus.

Kontakt

Jesper Henri Hattel
Sektionsleder, Professor
DTU Mekanik
45 25 47 10

Kontakt

Christian Frithiof Niordson
Sektionsleder, Professor
DTU Mekanik
45 25 42 87

Kontakt

Marcel A. J. Somers
Sektionsleder, Professor, Dr.ir.
DTU Mekanik
45 25 22 50
http://www.mek.dtu.dk/Forskning/Temaartikler/Materialemodellering
22 NOVEMBER 2017