Analysis and simulation of composite materials properties and behaviour used for manufacturing wind power blades study

Abstract

Rüzgâr türbinlerinde çok çeşitli malzemeler kullanılır. Küçük ve büyük makineler arasında büyük farklılıklar vardır ve tasarımlarda yeni malzeme teknolojileri ve imalat yöntemlerine ihtiyaç duyulacağı öngörülen değişiklikler vardır. Rüzgâr türbinleri bileşenleri ve malzemeleri en azından önümüzdeki 10 yıl boyunca önemli ve genişleyen iş fırsatlarıdır. Bu çalışma, son zamanlarda kompozit malzemelerin daha kesin olarak öngörülmesi için kullanılan yazılımları kullanarak rüzgâr enerjisi üretiminde yaygın olan bazı kompozit malzemelere yardımcı olmaya çalışmaktadır. Bu çalışmada, Auto Desk Helius Composite yazılımı kullanıldı; burada, IM7-977-3, AS4-8552, AS4-3501-6 olan özelliklerini, davranışlarını, arıza sıralarını incelemek üzere üç kompozit malzeme seçildi. Bu kompozitler Maksimum Stres, Christensen, Hashin başarısızlık kriterleri olmak üzere üç başarısızlık kriterine göre test edilmiştir. Her kompozitin kullanımı arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Belli bir kompozit üzerinde farklı bir arıza kriterinin kullanılmasınin etkisi çalışılmıştır. Başarısızlık ölçütleri arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Her kompozit için bir aksiyal yük altında kesme sırası ve kesilme yükü ayrı olarak araştırılmıştır. Her bir kompozit için başarısızlık zarfı, tasarımcıların her bir kompozitin başarısızlık zorlamaları kısıtlamalarını bilerek doğru kararı almasına yardımcı olacak şekilde sunulmuştur. Bu çalışmada aerodinamik parça analizini gerçekleştirmek için QBlade açık kaynaklı yazılım kullanılmıştır. SANDIA_SERI-8 rüzgâr bıçağı modeli, 15m / s'lik sabit bir rüzgar hızı altında bir rüzgar türbini modelinin bir simülasyonunu yapmak için bir vaka çalışması olarak seçilmiştir. Bıçak üzerindeki etki kuvveti, QBlade'li aerodinamik analiz bölümünden hesaplandı ve her bir kompozit malzemenin sapmasını bulmak için Helius Composite ile bileşik analiz bölümünde tanıtıldı. Auto Desk Helius Composite yazılımı kullanımını mümkün kılmak için bıçak model boyutlarının bir yaklaştırması yapılmıştır.

The materials which are used in the wind turbine are wide and varied. The differences which existed between the large and small machines are substantial and in terms of design, it includes expected changes and it may need to enter new materials and technologies during the manufacturing process. During the next 10 years, the work opportunities on the wind turbines and its materials and components will be expanded. This study is a try to assist some of the composite materials that are commonly used in the wind energy manufacturing sector by using software that recently becoming used for more precise prediction of the composite behavior. Auto Desk Helius Composite software has been used in this study, where three composite materials have been chosen to investigate their properties, behavior, failure sequence which is IM7-977-3, AS4-8552, and AS4-3501-6. Those composites have been tested according to three failure criteria which are Maximum Stress, Christensen, Hashin failure criteria. A comparison between the usages of each composite has been made. The effect of using a different failure criterion on a specific composite has been studied. A comparison between the failure criteria has been made. Failure sequence for each composite under an axial load and shear load separately has been investigated. Failure envelope for each composite has been presented in such a way to help the designers take the right decision by knowing the failure stresses constraints of each composite. QBlade open source software has been used in this study to fulfill the aerodynamic part analysis. SANDIA_SERI-8 wind blade model has been chosen as a case study to make a simulation for a wind turbine model under a steady state wind speed of 15m/s. Acting force on the blade has been calculated from the aerodynamic analysis part with QBlade and has been introduced in the composite analysis part with Helius Composite to find out the deflection of each composite material. An approximation of the blade model dimensions has been made to make it possible to use with the Auto Desk Helius Composite software.