Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade

The main aim of the present Diploma thesis is the development of a Reference Wind Turbine blade’s numerical model and the implementation of structural dynamic analyses in order to evaluate the structural damping effects and the structural integrity of the blade. During the last decades, the need f...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Παπανακλής, Γεώργιος
Άλλοι συγγραφείς: Papanaklis, George
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/23391
id nemertes-10889-23391
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Wind turbine blades
Finite element methods
Structural damping effect
Dynamic simulation
Strength analysis
Πτέρυγες ανεμογεννήτριας
Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων
Προσομοίωση δυναμικής απόκρισης
Δομική ανάλυση
spellingShingle Wind turbine blades
Finite element methods
Structural damping effect
Dynamic simulation
Strength analysis
Πτέρυγες ανεμογεννήτριας
Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων
Προσομοίωση δυναμικής απόκρισης
Δομική ανάλυση
Παπανακλής, Γεώργιος
Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade
description The main aim of the present Diploma thesis is the development of a Reference Wind Turbine blade’s numerical model and the implementation of structural dynamic analyses in order to evaluate the structural damping effects and the structural integrity of the blade. During the last decades, the need for renewable energy that has lower environmental impact has increased exponentially, drawing the attention of the scientific and industrial community towards the wind energy sector and leading them to put some serious effort on the development of larger and more efficient wind turbines as also dedicated analysis and design tools. In this work, some theoretical background related to the wind turbine blades’ structure and aerodynamic loads is provided, along with a brief presentation of the modelling methods that are used for the simulation of the blade’s dynamic response. Dedicated wind turbine simulation tools are examined regarding their framework, as well as the aerodynamic and structural theories and approaches they employ for the simulation of the entire mechanism. The theoretical part of this thesis is completed with the review of composites’ loss factors and proportional damping, while the definition of Rayleigh factors that will be utilized in the numerical models is explained. Before the description of the blade’s model, a brief review of the two numerical tools (hGAST and DAMPBEAM) that provide data for the modeling and structural assessment of the component takes place. During the definition of the wind turbine’s blade model in Abaqus, the CAD model is created, material properties and composite layups are defined, available dynamic analysis methods and procedures are examined, load modeling is described, and the meshing strategy is explained. The implementation of modal analysis provides the eigenfrequencies and eigenmodes of the structure that are successfully compared with the respective ones from the DAMPBEAM code. For the damping assessment, various dynamic analyses are performed, where different aerodynamic load cases, damping properties and analysis methods are employed and their results are compared, extracting important conclusions for the effect of each parameter. Finally, blade’s structural integrity is evaluated using Tsai-Wu stress-based and maximum strain failure criteria, validating that structure’s capability of dealing with the load condition of the simulated operation when damping is taken into consideration.
author2 Papanaklis, George
author_facet Papanaklis, George
Παπανακλής, Γεώργιος
author Παπανακλής, Γεώργιος
author_sort Παπανακλής, Γεώργιος
title Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade
title_short Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade
title_full Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade
title_fullStr Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade
title_full_unstemmed Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade
title_sort analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade
publishDate 2022
url https://hdl.handle.net/10889/23391
work_keys_str_mv AT papanaklēsgeōrgios analysisofstructuraldampingeffectsonthedynamicresponseofawindturbineblade
AT papanaklēsgeōrgios analysētēsepidrasēsdomikēsaposbesēsblabōnstēdynamikēapokrisēpterygasanemogennētrias
_version_ 1771297177518211072
spelling nemertes-10889-233912023-01-20T04:35:08Z Analysis of structural damping effects on the dynamic response of a wind turbine blade Ανάλυση της επίδρασης δομικής απόσβεσης βλαβών στη δυναμική απόκριση πτέρυγας ανεμογεννήτριας Παπανακλής, Γεώργιος Papanaklis, George Wind turbine blades Finite element methods Structural damping effect Dynamic simulation Strength analysis Πτέρυγες ανεμογεννήτριας Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων Προσομοίωση δυναμικής απόκρισης Δομική ανάλυση The main aim of the present Diploma thesis is the development of a Reference Wind Turbine blade’s numerical model and the implementation of structural dynamic analyses in order to evaluate the structural damping effects and the structural integrity of the blade. During the last decades, the need for renewable energy that has lower environmental impact has increased exponentially, drawing the attention of the scientific and industrial community towards the wind energy sector and leading them to put some serious effort on the development of larger and more efficient wind turbines as also dedicated analysis and design tools. In this work, some theoretical background related to the wind turbine blades’ structure and aerodynamic loads is provided, along with a brief presentation of the modelling methods that are used for the simulation of the blade’s dynamic response. Dedicated wind turbine simulation tools are examined regarding their framework, as well as the aerodynamic and structural theories and approaches they employ for the simulation of the entire mechanism. The theoretical part of this thesis is completed with the review of composites’ loss factors and proportional damping, while the definition of Rayleigh factors that will be utilized in the numerical models is explained. Before the description of the blade’s model, a brief review of the two numerical tools (hGAST and DAMPBEAM) that provide data for the modeling and structural assessment of the component takes place. During the definition of the wind turbine’s blade model in Abaqus, the CAD model is created, material properties and composite layups are defined, available dynamic analysis methods and procedures are examined, load modeling is described, and the meshing strategy is explained. The implementation of modal analysis provides the eigenfrequencies and eigenmodes of the structure that are successfully compared with the respective ones from the DAMPBEAM code. For the damping assessment, various dynamic analyses are performed, where different aerodynamic load cases, damping properties and analysis methods are employed and their results are compared, extracting important conclusions for the effect of each parameter. Finally, blade’s structural integrity is evaluated using Tsai-Wu stress-based and maximum strain failure criteria, validating that structure’s capability of dealing with the load condition of the simulated operation when damping is taken into consideration. Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία του αριθμητικού μοντέλου μιας πτέρυγας ανεμογεννήτριας και η εκτέλεση δυναμικών αναλύσεων για την αξιολόγηση της επίδρασης που έχει η δομική απόσβεση της πτέρυγας καθώς και της δομικής της ακεραιότητας. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, η ανάγκη για ανανεώσιμη ενέργεια που χαρακτηρίζεται από μικρότερο περιβαλλοντολογικό αντίκτυπο έχει αυξηθεί ιδιαίτερα, στρέφοντας το ενδιαφέρον της επιστημονικής και βιομηχανικής κοινότητας στην ανάπτυξη μεγαλύτερων και αποδοτικότερων ανεμογεννητριών καθώς και εξειδικευμένων εργαλείων ανάλυσης και σχεδίασης. Στην παρούσα εργασία αρχικά αναφέρονται συνοπτικά θεωρητικές πληροφορίες για τη δομή των πτερυγίων ανεμογεννητριών και τα αεροδυναμικά φορτία που τις καταπονούν, μαζί με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων μοντελοποίησης που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση τους. Εξειδικευμένα εργαλεία προσομοίωσης για ανεμογεννήτριες μελετώνται αναφορικά με την αεροδυναμική και δομική θεωρία καθώς και προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν για την προσομοίωση ολόκληρου του μηχανισμού. Το θεωρητικό κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την ανασκόπηση των συντελεστών απώλειας (η) για τα σύνθετα υλικά και την αναλογική απόσβεση, ενώ ο προσδιορισμός των συντελεστών Rayleigh που θα χρησιμοποιηθεί στο αριθμητικό μοντέλο επεξηγείται κατάλληλα. Πριν την περιγραφή του μοντέλου της πτέρυγας, μια σύντομη ανασκόπηση των αριθμητικών εργαλείων (hGAST and DAMPBEAM), των οποίων δεδομένα χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση και την αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας του εξαρτήματος λαμβάνει χώρα. Κατά την σύνθεση του μοντέλου της πτέρυγας ανεμογεννήτριας στο λογισμικό Abaqus, το τρισδιάστατο μοντέλο CAD δημιουργείται, οι ιδιότητες των υλικών και η διαστρωμάτωση των συνθέτων προσδιορίζονται, οι διαθέσιμες μέθοδοι δυναμικής ανάλυσης εξετάζονται, η μοντελοποίηση των φορτίων περιγράφεται και η στρατηγική διακριτοποίησης επεξηγείται. Μια μορφική ανάλυση παρέχει τις ιδιοσυχνότητες και ιδιομορφές της πτέρυγας οι οποίες συγκρίνονται επιτυχώς με τις αντίστοιχες τιμές που προέρχονται από τον κώδικα DAMPBEAM. Για την αξιολόγηση της απόσβεσης, ένα σύνολο δυναμικών αναλύσεων εκτελείται, όπου διαφορετικές αεροδυναμικές φορτίσεις, ιδιότητες απόσβεσης και μέθοδοι ανάλυσης χρησιμοποιούνται, και τα αποτελέσματα τους συγκρίνονται εξάγοντας χρήσιμα συμπεράσματα για την επίδραση της κάθε παραμέτρου. Τέλος, η δομική ακεραιότητα της πτέρυγας ελέγχεται χρησιμοποιώντας το κριτήριο Tsai-Wu και το κριτήριο μέγιστης παραμόρφωσης, επιβεβαιώνοντας ότι η κατασκευή είναι ικανή να ανταπεξέλθει στις συνθήκες φόρτισης της προσομοιωμένης λειτουργίας όταν οι ιδιότητες απόσβεσης λαμβάνονται υπόψιν. 2022-10-14T06:32:04Z 2022-10-14T06:32:04Z 2022-10-13 https://hdl.handle.net/10889/23391 en application/pdf