Progressive failure analysis of wind turbine blades under stochastic fatigue loads
Resumen
Se presenta una novedosa metodología para el análisis de la progresión del daño por fatiga en aspas de aerogeneradores sujetas a cargas de viento estocásticas. El modelo representa una extensión de trabajos previos sobre la progresión de daño por fatiga en vigas de pared delgada hechas con materiales compuestos al incorporar capacidades de modelamiento aeroelásticas y el efecto de cargas de viento estocásticas. La novedad principal de la propuesta consiste en su capacidad de conducir un análisis automatizable al contar con un modelo computacionalmente esbelto que a pesar de su eficiencia computacional permite el seguimiento detallado de la evolución de las propiedades de los materiales con alta resolución espacial, incluyendo la posibilidad de analizar capa por capa. Un caso de estudio numérico basado en el aspa de una pequeña turbina eólica construida con materiales compuestos y sujeta a cargas de viento estocásticas durante 20 años ha sido simulado. Se muestran e interpretan mapas de daño detallados indicando la ubicación y el tipo de daño y se relacionan dichos mapas con gráficas de la evolución global del daño por tipo de mecanismo de degradación, además de demostrarse el efecto sobre las propiedades elásticas globales. También se discute el efecto del daño por fatiga sobre el desempeño aerodinámico. Aplicaciones de la innovación incluyen el diseño de estructuras más livianas y más económicas, además de la opción de un diseño para sitios específicos.Citas
Brøndsted, P. and Nijssen, R.P.L., 'Fatigue as a design driver for composite wind turbine blades', in Brøndsted, P. and Nijssen, R.P.L. (Ed.): 'Advances in wind turbine blade design and materials' (Woodhead Publishing Limited,
, pp. 175-209
Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N.; Bossanyi, E. 'Wind energy handbook' (John Wiley and Sons, Inc. 2001) pp.209–328
Leku, D.J. ' Probabilistic design of wind turbine blades', in Brøndsted, P. and Nijssen, R.P.L. (Ed.): 'Advances in wind turbine blade design and materials' (Woodhead Publishing Limited, 2013), pp. 325 – 359
Shokrieh, M.M., and Rafiee, R. 'Simulation of fatigue failure in a full composite wind turbine blade'. Composite Structures, 2006, 74, (3), pp 332 – 342.
Lee, C. S., Kim, J. H., Kim, S. K., Ryu, D. M., & Lee, J. M. 'Initial and progressive failure analyses for composite laminates using Puck failure criterion and damage-coupled finite element method'. Composite Structures, 2015, 121, pp 406 – 419.
Nikishkov, Y., Makeev, A., Seon, G. 'Progressive fatigue damage simulation method for composites'. International Journal of Fatigue, 2013, 48, pp 266 – 279
Cárdenas, D., Elizalde, H., Marzocca, P., Abdi, F., Minnetyan, L., & Probst, O. 'Progressive failure analysis of thin-walled composite structures'. Composite Structures, 2012, 95, pp 53 – 62
Pawar, P. M., Ganguli, R. 'Modeling progressive damage accumulation in thin walled composite beams for rotor blade applications'. Composites Science and Technology, 2006, 66, (13), 2337 – 2349.
Librescu, L., Song, O. 'Thin-walled composite beams: theory and application'. (Springer Science & Business Media, 2006).
'GENOA Virtual Testing & Analysis Software', http://www.ascgenoa.com/, accessed 30 March 2016
Cárdenas, D., Elizalde, H., Marzocca, P., Gallegos, S., Probst, O. 'A coupled aeroelastic damage progression model for wind turbine blades'. Composite Structures, 2012, 95, pp 3072–3081
Rivera, J.A., Aguilar, E., Cárdenas, D., Elizalde, H., Probst. O. ‘Progressive failure analysis for thin-walled composite beams under fatigue loads’. Composite Structures, 2016, 154, pp 79–91
Shokrieh, M. M., Lessard, L. B. 'Progressive fatigue damage modeling of composite materials, Part I: Modeling'. Journal of Composite Materials, 2000, 34, (13), 1056-1080.
Zhang, Y. X., & Yang, C. H. 'Recent developments in finite element analysis for laminated composite plates'. Composite Structures, 2009, 88 (1), 147–157.
Talreja, R., & Singh, C. V. 'Damage and failure of composite materials' (Cambridge University Press, 2012)
Shokrieh M. M. 'Progressive fatigue damage modeling of composite materials'. PhD thesis, McGill University, 1996.
Nijssen, R. P. L. 'Fatigue life prediction and strength degradation of wind turbine rotor blade composites', PhD thesis, Delft University of Technology, 2006
Jang, Y.J, Choi, C.W., Lee J.H., Kang, K.W. 'Development of fatigue life prediction method and effect of 10-minute mean wind speed distribution on fatigue life of small wind turbine composite blade’. Renewable Energy, 2015, 79, pp 187-198
Montesano, J., Chu, H., Singh C.V. ‘Development of a physics-based multi-scale progressive damage model for assessing the durability of wind turbine blades’. Composite Structures, 2016, 141, pp 50–62
Vo, T. P., Lee, J. 'Flexural-torsional behavior of thin-walled closed-section composite box beams'. Engineering Structures, 2007, 29, (8), 1774–1782
Zhang, C., Wang, S. 'Structure mechanical modeling of thin-walled closed-section composite beams, Part 1: Single-cell cross section'. Composite Structures, 2014, 113, pp 12-22.
Harris, B. 'Fatigue in composites. Science and technology of the fatigue response of fibre reinforced plastics' (Woodhead Publishing Ltd., 2003) Cárdenas D., Probst O., Elizalde H.
Adam, T., Gathercole, N., Reiter, H., et al., 'Life prediction for fatigue of T800/5245 carbon fibre composites: II-Variable amplitude loading', International Journal of Fatigue, 1994, 16, pp. 533-547
Hashin, Z., 'Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites', Journal of Applied Mechanics, 1980, 47, pp 329-334.
J. Amezcua, J., Muñoz, R., Probst, O. 'Reconstruction of gusty wind speed signals from data logger time series', Wind & Structures 2011, 14, (3), pp 337-357
Martínez J., Bernabini, L., Probst, O., Rodríguez, C. 'An Improved BEM Model for the Power Curve Prediction of Stall-regulated Wind Turbines', Wind Energy 2005, 8, pp 385-402
