Analytical structural analysis and verification of a composite rotor blade section

Abstract

Rotorblatt von Windkraftanlage hat eine komplexe Form und besteht aus vielen Schichten von Laminaten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften. Die strukturellen Eigenschaften des Rotorblatts, wie z. B. die Steifigkeiten, müssen im Voraus bekannt sein, um eine Strukturanalyse durchführen zu können. In diesem Artikel wird ein analytisches Modell vorgestellt, mit dem diese strukturellen Eigenschaften auf einfache und schnelle Weise, die auf der klassischen Laminattheorie basierend, berechnet werden können. Der Code ermöglicht einen generellen Schichtaufbau der Lagen und ist für den Querschnitt mit einer oder zwei Stege geeignet. Es beginnt mit der Diskretisierung des Querschnitts in mehrere Elemente. Jedes Element hat einen Knoten in seiner neutralen Ebene. Die Steifigkeiten jedes Elements werden in Form von ABD-Matrizen bestimmt. Die Steifigkeiten des Querschnitts sind die Summe der Steifigkeiten jedes Elements. Dann wird der Schwerpunkt des Querschnitts erhalten. Durch Aufbringen der Biegemomente für die extremen Lastfälle werden die axialen Dehnungen für alle Knoten am Profilabschnitt berechnet. Darüber hinaus werden die Schubflüsse für jede Kante des Elements durch Aufbringen von Schubkräften als die Eingabe für das Werkzeug bestimmt. Trotz der Einfachheit der Methode zeigen die Ergebnisse eine gute Übereinstimmung mit den FEM-Ergebnissen. Letztendlich wird ein Strukturanalysemodell für die Analyse der Laminatfestigkeit, Beul- und Klebeanalyse unter extremen Belastungen entwickelt, um die Festigkeit des Rotorblatts zu überprüfen. Die Analysewerkzeuge weisen mehrere Einschränkungen auf, da sie nur für einen Querschnitt des Rotorblatts geeignet sind. Die Weiterentwicklung der Werkzeuge ist für eine genauere Beulanalyse sowie die Durchführung einer Ermüdungsanalyse erforderlich.

Wind turbine blade has a complex shape and consists of many layers of laminates with dissimilar material properties. The structural properties of the blade such as stiffnesses need be known in advance, in order to carry out structural analysis. This paper presents an analytical model to calculate these structural properties in a simple and fast way based on classical lamination theory. The code allows for a general layup of composite laminates and is suitable for cross section with one or two shear webs. It starts with discretization of the cross section into several elements. Each element has a node at its neutral plane. The stiffnesses of each element is determined in the form of ABD-Matrices. The stiffnesses of the cross section is the summation of the stiffnesses of each element. Then, the elastic center of the cross section is obtained. By applying bending moments for the extreme load cases, the axial strains for all nodes at the profile section are calculated. In addition, the shear loads are determined for each edge of the element by applying shear forces as inputs for the tool. Despite the simplicity of the method, the results show a good agreement with FEM results. In the end, structural analysis model for laminate strength analysis, buckling and bonding analysis under extreme loads is developed for the verification of the strength of the rotor blade. The analytical tools have several limitations as it is only suitable for one cross section of the blade. Further development of the tools is needed for more accurate buckling analysis as well as implementation of fatigue analysis.