Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Silani,Mohammad Mashayekhi
محمد سیلانی (استاد مشاور) محمد مشایخی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sepideh Aghajani Afghan
سپیده آقاجانی افغان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Life Prediction Of wind Turbine Blades Using Multi-scale Damage Model
Since the evolution of fatigue damage in composite materials currently used for large structure, including wind turbine blade, was not well understood, large safety factors were employed which lead to highly conservative designs. In order to improve and enhance the design confidence, these structures were tested in different conditions, which would lead to a lot of time and cost. To advancing, researchers used analytically and simulation methods to design structures. A lot of analytical methods have been proposed for designing and estimating the life of composite structure, one of which was estimation of stiffness reduction in material because of damage. This study investigates one simulation method based on multi-scale damage mechanic, Computational micromechanics was coupled within a continuum damage mechanics (CDM) framework, and implemented through a user-de?ned subroutine within commercial ?nite element software, for evaluating sub-critical damage evolution and stiffness degradation of the structure. Finally, VUMAT user subroutine of ABAQUS is used to determine the constitution equation in continuum damage mechanics and then is applied to wind turbine blade to investigate fatigue damage mechanism.using modified Puck’s criteria, damage is studied in a layer level of a fatigue loaded wind turbine blade. Damage is investigated in fiber direction and matrix. The model is implemented in a user material finite element subroutine to calculate damage parameter in layer level at any cycle of loading. Then, calculations are extended to laminate using Keywords synergistic damage mechanic, Computational micro-mechanic, Continuum damage mechanics, fatigue damage, Matrix cracking.
طراحی سازه های بزرگ از جمله پره های توربین باد بسیار محافظه کارانه انجام می گرفت، که این کار غیر اقتصادی و در عین حال دارای ایمنی پایینی بود. در ادامه برای بهبود و بالا بردن ضریب اطمینان طراحی، سازه های مذکور در شرایط مختلف آزمایش و بررسی می شدند، که موجب صرف زمان و هزینه ی زیادی می شد، برای پیشرفت این مسیر محققان از روش های تحلیلی و شبیه سازی برای طراحی سازه ها استفاده کردند. روش‌های تحلیلی زیادی برای طراحی و تخمین عمر سازه های کامپوزیتی ارائه شده است که یکی از آن ها استفاده از تعیین کاهش سفتی مواد کامپوزیتی در اثر ایجاد آسیب و پیشبینی عمر سازه با استفاده از محاسبه ی سفتی کاهش یافته است. تحقیق حاضر یکی از روش های مدل سازی تحت عنوان مدل سازی چندمقیاسی آسیب را مورد بررسی قرار می دهد. در این روش به جای بررسی خواص در ابعادماکرو و بدست آوردن خواص ساختاری به صورت آزمایشگاهی از خواص میکرومکانیک برای بدست آوردن خواص کلی سازه استفاده می شود. پایان نامه ی حاضر در دو بخش آسیب خستگی مواد کامپوزیتی انجام شده است. بخش اول بررسی پیشروی ترک ماتریسی در پره ی توربین باد تحت بار خستگی با استفاده از تاثیر میکرو ترک ها بر رفتار پره در مقیاس ماکرو انجام شده است. در بخش دوم آسیب در سطح تک لایه با استفاده از معیار پاک اصلاح شده برای بارگذاری خستگی بررسی و به آسیب در سطح لایه در پره ی توربین باد تعمیم داده شده است. در بخش اول برای بررسی تاثیر میکرو ترک ها، حجمک های نماینده با چگالی ترک های مختلف با شرایط مرزی ویژه ای انتخاب و ترک در آن به صورت فیزیکی مدل سازی شده است. به دلیل کاهش مدول الاستیک بر اثر بازشدگی دهانه ی ترک در بارگذاری، پارامتر آسیب بر حسب بازشدگی دهانه ی ترک میانگین در سطوح ترک فرمول بندی شده است. با استفاده از پارامترهای آسیب به دست آمده از روش میکرو مکانیک، ماتریس سفتی لایه ی آسیب دیده را محاسبه شده است. در نهایت با استفاده از تدوین زیر برنامه ی VUMAT در نرم‌افزار آباکوس معادله متشکله ی ماده در چارچوب مکانیک محیط پیوسته نوشته و به پره ی توربین باد برای بررسی رفتار خستگی ماده اعمال شده است. در بخش دوم با استفاده از معیار پاک اصلاح شده آسیب در سطح تک لایه ی پره ی توربین باد تحت بار خستگی تا مرحله ی شکست بررسی شده است. در این روش آسیب در دو بخش در جهت فایبر و در ماتریس مورد بررسی قرار گرفته است. در این مرحله با تدوین یک زیر برنامه VUMAT در نرم افزار آباکوس در هر سیکل بارگذاری پارامترهای آسیب در هر تک لایه محاسبه و با استفاده از تئوری کلاسیک لایه ای مدول الاستیک و پارامتر جدید لایه در هر المان محاسبه و در نهایت عمر پره ی توربین باد با استفاده از این روش تخمین زده شده است. با استفاده از میکرومکانیک محاسباتی، پارامتر آسیب تک لایه ها و ثابت لایه برای به کارگیری در لایه چینی و به دست آمده است. سپس با بارگذاری پره ی توربین باد و به کار گیری زیر برنامه ی تدوین شده برای مکانیک آسیب هم‌افزایی ماده، چگالی ترک اشباع تک لایه ها در پره ی توربین محاسبه و با نتایج مراجع مقایسه شده است، که چگالی ترک اشباع تک لایه ‌ 90 درجه برابر 1/1، تک لایه ی 45 درجه برابر 75/0 و تک لایه ی 45- درجه برابر با 36/0 بدست آمده است. براساس این نتایج میزان کاهش سفتی ماده و پارامترهای آسیب لایه محاسبه شده است. در نهایت با اعمال روش آسیب خستگی چند محوره در کامپوزیت چند جهته بر اساس معیار پاک اصلاح شده، عمر سازه 950000 دور با شکست تک لایه ی 45- در مود C تخمین زده شده است. در این سیکل پارامتر آسیب تک لایه ی 90 درجه 99/0، تک لایه‌ی45 درجه 82/0 و تک لایه ی 45- درجه 59/0و سفتی نهایی لایه و تک لایه ها به دست آمده است. کلید واژگان مکانیک آسیب هم افزایی، میکرومکانیک محاسباتی، مکانیک آسیب محیط پیوسته، آسیب خستگی، ترک ماتریسی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی