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Investigation of the failure mechanisms of scarf repairs on glass fiber reinforced polymer shell structures

Ghafafian, Carineh

Wind turbine blades often fail significantly before their design life. As a cost- and time-effective alternative to replacing entire blades, repairs can be executed by technicians on suspended roping directly accessing blades in the field. There is, however, no generally accepted practice for such localized repairs, and methods as well as material property restoration are not fully understood to-date. Due to their restored property efficiency, the failure mechanisms of scarf joints are taken into focus in this work for an in-depth understanding of how to better tailor localized blade repairs. In the scope of this work, a multi-level, systematic experimental approach is taken for an application-oriented problem. The influence of fiber orientation mismatch, scarf joint layup and repair geometry on glass fiber reinforced polymer (GFRP) shell structures is examined. Failure mechanisms of the scarf joint structure are compared to reference specimens without a repair under quasi-static as well as fully-reversed cyclic fatigue loading conditions for biaxial GFRP laminates as monolithic coupon specimens as well as curved sandwich shell specimens on the intermediate scale. A scarf joint is shown to introduce stiffness discontinuities in the joint interface when interrupting load-carrying fibers, affecting the fracture front propagation path and thereby failure mechanism and in turn the overall restored ultimate tensile strength. Resin pockets in the joint interface region of a small-to-large layup are shown to have a positive influence on the structural integrity if no load-carrying fibers are disrupted by the presence of the scarf joint due to a localized yielding effect, by which the resin pockets in the joint interface are able to alleviate stresses in the structure. The repair geometry, however, namely the lack of sharp corners, is shown to have a greater influence on the restored fatigue performance than the scarf joint layup. Additionally, a fatigue-superior repair material is shown to improve the overall fatigue performance of the joint structure due to a redistribution of strain by varying damage distribution across the structure in the form of inter-fiber failure. The overall good agreement of tendencies on the coupon and intermediate scale in this work as well as the ability to test numerous adherend combinations on the coupon scale lead to the ability to focus future repair testing on the coupon scale for material and joint interface effects for a more cost- and time-saving approach.
Die Rotorblätter von Windkraftanlagen fallen häufig deutlich vor Ablauf ihrer Lebensdauer schadensbedingt aus. Eine kosten- und zeitsparende Alternative zum Austausch ganzer Rotorblätter sind durch Techniker im Seil vor Ort durchgeführte Reparaturen an der Composite-Struktur. Derzeit existieren jedoch keine allgemeingültigen Verfahren für solche lokalen Reparaturen. Geeignete Methoden zur Wiederherstellung der Materialeigenschaften sind bis heute nicht vollständig erforscht. Aufgrund der bekannten Effizienz der wiederhergestellten Eigenschaften durch Scarf-Joints bzw. Schäftungen werden deren Versagensmechanismen in dieser Arbeit in den Mittelpunkt gestellt, aus den Erkenntnissen erfolgt die Optimierung von lokalen Scarf-Reparaturen. Zur Untersuchung der anwendungsorientierten Fragestellung wird in dieser Arbeit ein skalenübergreifender, systematischer experimenteller Ansatz gewählt, um den Einfluss von Scarf-Joint Aufbau und Reparaturgeometrie im Kontext von glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) im Coupon-Maßstab und im Intermediate-Scale an repräsentativen Schalenstrukturen von Rotorblättern untersucht. Die Versagensmechanismen des Scarf-Joint Aufbaus werden mit Referenzproben unter quasistatischer und zyklischer Wechsellast für monolithische biaxiale GFK-Laminate im Coupon-Maßstab sowie gekrümmten Sandwich-Schalenprüfkörpern im Intermediate-Scale verglichen. Die durchgeführten systematischen Experimente zeigen, dass die Unterbrechung der lasttragenden Fasern in der Scarf-Joint Stelle zu Steifigkeitssprüngen führt, die sich auf den Ausbreitungsweg der Rissfront und damit auf den Versagensmechanismus auswirken. Dies beeinflusst wiederum die wiederhergestellte Zugfestigkeit. Harzansammlungen im Bereich der Joint Schnittstelle können Spannungen in der Struktur abbauen, sofern keine lasttragenden Fasern unterbrochen werden. Die Reparaturgeometrie, insbesondere das Fehlen von scharfen Kanten, besitzt einen signifikanten Einfluss auf die wiederhergestellte Schwingfestigkeit. Hingegen zeigt der Aufbau der Scarf-Joints einen geringeren Einfluss auf die Schwingfestigkeit der Prüfkörper. Darüber hinaus wird gezeigt, dass ein Reparaturmaterial mit gesteigerter Schwingfestigkeit gegenüber dem Ausgangsmaterial das gesamte Ermüdungsverhalten der Joint-Struktur aufgrund einer veränderten Schadensverteilung in Form von Zwischenfaserbrüchen verbessert. Mit der nachgewiesenen Korrelation zwischen der Coupon- und Intermediate-Scale sowie der Möglichkeit, zahlreiche Scarf-Joint Kombinationen auf der Coupon-Ebene zu testen, konnte ein kosten- und zeitsparender Ansatz im Coupon-Scale zur Verifizierung künftiger Reparaturkonzepte entwickelt und validiert werden.