Smart structures, het modewoord voor constructies die zich aanpassen aan belastingen, zijn in opkomst. Toepassingen zijn mogelijk in allerlei gebieden van de techniek, zoals bij vliegtuigen, zeilboten en windturbines.
Delen
/em>
Prof. Adriaan Beukers heeft bij zijn leerstoelgroep productietechnologie van de faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek (L&R) al vele smart structures de revue zien passeren. ,,Eigenlijk is elke constructie die goed is ontworpen een smart structure”, verklaart hij.
Smart structures onderscheiden zich van ‘gewone’ constructies doordat zij hun eigenschappen aanpassen aan de belastingen in de omgeving. Bij vliegtuigvleugels gebeurt dit allang. De stroming van de lucht om de vleugels wordt veranderd door het uitslaan van roeren en kleppen. ,,Het zou het mooist zijn als vliegtuigvleugels net zo actief op de lucht konden reageren als de vleugels van vogels. Met hun spieren kunnen vogels namelijk de welving van hun vleugels veranderen. Ik ben bang dat dit voor vliegtuigen te veel vermogen gaat vragen”, aldus Beukers.
Voor zeezeilracen zijn er boten in ontwikkeling waarbij in de mast rekstrookjes worden aangebracht die de vervorming van de mast meten. Dit is een voorbeeld van zogeheten actieve smart structures. ,,Wanneer de vervorming van de mast te groot wordt en deze dreigt te gaan breken, wordt automatisch het zeil gevierd totdat er weer een toelaatbare belasting op de mast staat”, zegt Beukers.
Je hebt ook passieve smart structures die bij een bepaalde verandering in belasting altijd op dezelfde manier reageren zonder tussenkomst van elektronica. De gebruikte materialen hebben verschillende sterkte- en stijfheidseigenschappen in verschillende richtingen en passen hun eigen vorm of oriëntatie in de ruimte aan op de grootte van de belasting. Na productie kunnen in dit soort smart structures dus geen nieuwe kunstjes worden geprogrammeerd.
Windstoten
Smart structures kunnen voorkomen dat bij sterke windstoten de belasting op rotorbladen van windturbines te hoog wordt. Wilco de Goeij (27) ontwikkelde tijdens zijn afstudeeronderzoek in 1998 bij de leerstoelgroep productietechnologie van L&R een windturbine die de invalshoek van het rotorblad aanpast bij grote windstoten. Zo is schadegroei in de rotorbladen door de wisselende belasting te voorkomen.
Het actieve concept dat hij bedacht, heeft veel weg van het vieren van de zeilen bij de racezeilboot. Bij een actieve koppeling moeten telkens de windsnelheid en %richting worden gemeten. Bij te grote windsnelheden wordt het rotorblad dan automatisch bijgedraaid door een motor waardoor de belastingen op de zware rotoras afnemen.
Nadelen hierbij zijn het dure meet- en regelsysteem, de dikke draaibare rotoras die zwaar zal worden belast en het onderhoud. Zo’n soort systeem is ook erg foutgevoelig. De Goeij: ,,Indien het systeem uitvalt en het rotorblad bij een windstoot juist zo draaitdat de belasting groter wordt, kan dit op den duur natuurlijk desastreuze gevolgen met zich meebrengen.”
Variant
De Goeij koos ervoor in zijn afstudeerwerk een passieve smart-structure-variant uit te werken. Dat wordt momenteel bij het Energie Onderzoekscentrum in Petten verder ontwikkeld.
Bij het uiteindelijke ontwerp zijn de glasvezels en stijvere koolstofvezels van het rotorblad zowel recht als schuin gelegd. Hierdoor werd het blad dus in de richting van de koolstofvezels stijver dan in andere richtingen.
Door de vezels slim te plaatsen, vervormt het rotorblad bij een windstoot op een manier waardoor de invalshoek van de wind kleiner wordt. Omdat de rotorbladen minder wind vangen, neemt de belasting op het blad af. Dit principe is te vergelijken met touwtrekken. Het touw laat de krachten in de vezelrichting het beste door, waardoor het touw altijd in dezelfde voorkeursrichting, dus recht en niet gekromd, staat wanneer men aan de uiteinden trekt.
De Goeij ziet mogelijkheden in een combinatie van actieve en passieve koppeling. ,,Door het rotorblad actief te laten inspelen op veranderingen in windsterkte en -richting kan tevens het energierendement van windmolens toenemen.”
Schade
Composieten zelf laten onderzoeken of ze van binnen beschadigd zijn is een ander onderzoek naar smart structures op de TU. In de luchtvaart is het snel ontdekken van kleine scheurtjes erg belangrijk omdat deze kunnen groeien. Met alle gevolgen van dien.
,,Het inspecteren van composieten op schade zonder daarbij het materiaal zelf te beschadigen, wordt in de praktijk alleen maar gedaan met röntgenstraling of ultrasone straling”, zegt Laurence Venne, die in september 1999 afstudeerde op dit onderwerp. ,,Dit is een erg kostbare methode. Ik wilde proberen of het mogelijk was een systeem in de composieten te integreren dat schade kan detecteren.”
Door middel van een laser en plaatsing van optische vezels in het materiaal kon hij uiteindelijk schade in het materiaal waarnemen. Venne: ,,Een groeiend scheurtje in het materiaal zorgt ervoor dat het optische vezeltje breekt. Het licht van de laser dat door het materiaal reist, wordt gehinderd op de plek van de scheur. Door de uiteindelijke intensiteit van het licht te meten, kan men bepalen of er schade aan het materiaal is.”
Professor Beukers relativeert de smart-hype liever. Beukers: ,,Het is meer een modewoord waarmee je makkelijker fondsen kunt werven. In de natuurkunde doet men dat door bij allerlei ontwikkelingen het woord nanotechnologie te gebruiken, in de constructieleer doen we dat met het woord smart.”
Smart structures, het modewoord voor constructies die zich aanpassen aan belastingen, zijn in opkomst. Toepassingen zijn mogelijk in allerlei gebieden van de techniek, zoals bij vliegtuigen, zeilboten en windturbines.
Prof. Adriaan Beukers heeft bij zijn leerstoelgroep productietechnologie van de faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek (L&R) al vele smart structures de revue zien passeren. ,,Eigenlijk is elke constructie die goed is ontworpen een smart structure”, verklaart hij.
Smart structures onderscheiden zich van ‘gewone’ constructies doordat zij hun eigenschappen aanpassen aan de belastingen in de omgeving. Bij vliegtuigvleugels gebeurt dit allang. De stroming van de lucht om de vleugels wordt veranderd door het uitslaan van roeren en kleppen. ,,Het zou het mooist zijn als vliegtuigvleugels net zo actief op de lucht konden reageren als de vleugels van vogels. Met hun spieren kunnen vogels namelijk de welving van hun vleugels veranderen. Ik ben bang dat dit voor vliegtuigen te veel vermogen gaat vragen”, aldus Beukers.
Voor zeezeilracen zijn er boten in ontwikkeling waarbij in de mast rekstrookjes worden aangebracht die de vervorming van de mast meten. Dit is een voorbeeld van zogeheten actieve smart structures. ,,Wanneer de vervorming van de mast te groot wordt en deze dreigt te gaan breken, wordt automatisch het zeil gevierd totdat er weer een toelaatbare belasting op de mast staat”, zegt Beukers.
Je hebt ook passieve smart structures die bij een bepaalde verandering in belasting altijd op dezelfde manier reageren zonder tussenkomst van elektronica. De gebruikte materialen hebben verschillende sterkte- en stijfheidseigenschappen in verschillende richtingen en passen hun eigen vorm of oriëntatie in de ruimte aan op de grootte van de belasting. Na productie kunnen in dit soort smart structures dus geen nieuwe kunstjes worden geprogrammeerd.
Windstoten
Smart structures kunnen voorkomen dat bij sterke windstoten de belasting op rotorbladen van windturbines te hoog wordt. Wilco de Goeij (27) ontwikkelde tijdens zijn afstudeeronderzoek in 1998 bij de leerstoelgroep productietechnologie van L&R een windturbine die de invalshoek van het rotorblad aanpast bij grote windstoten. Zo is schadegroei in de rotorbladen door de wisselende belasting te voorkomen.
Het actieve concept dat hij bedacht, heeft veel weg van het vieren van de zeilen bij de racezeilboot. Bij een actieve koppeling moeten telkens de windsnelheid en %richting worden gemeten. Bij te grote windsnelheden wordt het rotorblad dan automatisch bijgedraaid door een motor waardoor de belastingen op de zware rotoras afnemen.
Nadelen hierbij zijn het dure meet- en regelsysteem, de dikke draaibare rotoras die zwaar zal worden belast en het onderhoud. Zo’n soort systeem is ook erg foutgevoelig. De Goeij: ,,Indien het systeem uitvalt en het rotorblad bij een windstoot juist zo draaitdat de belasting groter wordt, kan dit op den duur natuurlijk desastreuze gevolgen met zich meebrengen.”
Variant
De Goeij koos ervoor in zijn afstudeerwerk een passieve smart-structure-variant uit te werken. Dat wordt momenteel bij het Energie Onderzoekscentrum in Petten verder ontwikkeld.
Bij het uiteindelijke ontwerp zijn de glasvezels en stijvere koolstofvezels van het rotorblad zowel recht als schuin gelegd. Hierdoor werd het blad dus in de richting van de koolstofvezels stijver dan in andere richtingen.
Door de vezels slim te plaatsen, vervormt het rotorblad bij een windstoot op een manier waardoor de invalshoek van de wind kleiner wordt. Omdat de rotorbladen minder wind vangen, neemt de belasting op het blad af. Dit principe is te vergelijken met touwtrekken. Het touw laat de krachten in de vezelrichting het beste door, waardoor het touw altijd in dezelfde voorkeursrichting, dus recht en niet gekromd, staat wanneer men aan de uiteinden trekt.
De Goeij ziet mogelijkheden in een combinatie van actieve en passieve koppeling. ,,Door het rotorblad actief te laten inspelen op veranderingen in windsterkte en -richting kan tevens het energierendement van windmolens toenemen.”
Schade
Composieten zelf laten onderzoeken of ze van binnen beschadigd zijn is een ander onderzoek naar smart structures op de TU. In de luchtvaart is het snel ontdekken van kleine scheurtjes erg belangrijk omdat deze kunnen groeien. Met alle gevolgen van dien.
,,Het inspecteren van composieten op schade zonder daarbij het materiaal zelf te beschadigen, wordt in de praktijk alleen maar gedaan met röntgenstraling of ultrasone straling”, zegt Laurence Venne, die in september 1999 afstudeerde op dit onderwerp. ,,Dit is een erg kostbare methode. Ik wilde proberen of het mogelijk was een systeem in de composieten te integreren dat schade kan detecteren.”
Door middel van een laser en plaatsing van optische vezels in het materiaal kon hij uiteindelijk schade in het materiaal waarnemen. Venne: ,,Een groeiend scheurtje in het materiaal zorgt ervoor dat het optische vezeltje breekt. Het licht van de laser dat door het materiaal reist, wordt gehinderd op de plek van de scheur. Door de uiteindelijke intensiteit van het licht te meten, kan men bepalen of er schade aan het materiaal is.”
Professor Beukers relativeert de smart-hype liever. Beukers: ,,Het is meer een modewoord waarmee je makkelijker fondsen kunt werven. In de natuurkunde doet men dat door bij allerlei ontwikkelingen het woord nanotechnologie te gebruiken, in de constructieleer doen we dat met het woord smart.”
Comments are closed.