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Temperature effects on the static, dynamic and fatigue behaviour of composite materials used in wind turbine blades

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Cormier, Laurent (2017). Temperature effects on the static, dynamic and fatigue behaviour of composite materials used in wind turbine blades. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de de technologie supérieure.

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Résumé

Many Canadian regions have strong winds that are interesting for wind energy production. However, these same regions are often quite remote and the Canadian climate is atypical for the wind energy industry. The high level of uncertainty about the turbines durability and the profitability of wind plants under such environments thus hinders the development of wind energy projects in Canada. Among the many uncertainties related to Canadian operating conditions, one specific concern is about the durability of wind turbine blades in Northern climates.

The goal of this thesis is thus to clarify the effects of temperature and strain rate on the strength, stiffness and fatigue performance of composite materials as used in the wind energy sector. It thus focuses on glass fibre reinforced composites, which is the mainstream material for wind turbine blades. Wind turbine blades are basically beam exposed to a combination of axial, bending (in and out of the rotor plane) and torsional loads. In order to resist these loads, laminates used in the different parts of the blade are mostly made of a combination of longitudinal and ±45◦ plies. In order to improve the basic understanding of the mechanics of failure, two simple laminate configurations are studied, namely:

• The unidirectional laminate loaded in the fibre direction, which is the main load bearing component of the blade structure.

• The [±45]s bias-ply laminate, which provides shear stiffness to the blades structure.

The temperatures considered are limited to those that could realistically be encountered in Canada’s climate, namely an extreme wintertime low of -40℃ to a summertime high of 60℃, which is deemed representative of a part exposed to direct sunlight in the summer. Similarly, fatigue frequencies are limited to a maximum of 24 Hz.

It was found that the static strength and stiffness of both laminate configurations were strongly affected by both low and high temperatures. A significant increase of both properties was measured at low temperature, while high temperature strongly degraded them. However, while the high temperature fatigue durability followed the same trend as the static strength, the low temperature fatigue performance was only slightly affected, and even less so for unidirectional laminates. Both a vertical shift and a change in slope of the S–N curve with temperature was observed. At low temperature, this change of slope favours the fatigue strength under a high fatigue load, but reduces expected lives at lower load levels. This finding may be particularly significant in the context of wind turbine blade durability since they generally need to operate at low fatigue stresses, but over very long periods. Frequency effects were mostly not significant within the range explored. Nevertheless, experiments suggest that higher frequencies may have a slightly deleterious effect.

An approach to predict the effect of temperature on the probabilistic S–N curve of fibre dominated composites with minimal experimental requirements is also proposed. This method is based on a cyclic strength degradation model, for which the parameters change with temperature is correlated with temperature effect on static strength. Since the latter is also an input for the cyclic strength degradation model, a function describing its temperature dependence is also suggested. The predictions obtained by the model are very good for both strength and fatigue life.

Finally, models are developed for describing the static strength as well as the storage and loss modulus as a function of temperature across multiple transitions. The latter model also has provision for evaluating frequency effects on the storage modulus and glass transition temperature. These models provide a very good description of the dynamic response of polymers and composites on which they were validated (epoxies and epoxy based composites). Moreover, they provide a unambiguous definition of the glass transition temperature and allows for the evaluation of temperature and frequency effects on both the storage modulus without using the time-temperature superposition principle. Results show that if the time-temperature shift factors are calculated from the model, they are continuous across the glass transition. This suggests that the commonly expected discontinuity in this region may actually only be a side effect of neglecting the glass transition frequency dependence in conventional time-temperature superposition approaches.

Titre traduit

Effets de la température sur le comportement en statique, en dynamique et en fatigue des matériaux composites utilisés dans les pales d'éoliennes

Résumé traduit

Plusieurs régions du Canada sont balayées par des vents très propices à la production d’énergie éolienne. Toutefois, ces régions sont souvent éloignées des grands centres et soumises à des climats atypiques pour l’industrie éolienne. Le niveau d’incertitude sur la durabilité des turbines et la rentabilité des projets de centrales est donc élevé et le développement est limité. Parmi les nombreuses incertitudes reliées aux conditions d’opération au Canada, on retrouve, entre autres, celles portant sur la durabilité des pales en conditions nordiques.

L’objectif de cette thèse est donc de clarifier l’influence de la température et du taux de chargement sur la rigidité, la résistance et le comportement en fatigue des matériaux composites utilisés dans le domaine de l’énergie éolienne. L’attention sera fixée sur les composites verre-époxy, qui sont prédominants pour la fabrication des pales. Aussi, une pale d’éolienne est essentiellement une poutre chargée par une combinaison d’efforts axiaux, de flexion dans le plan et hors du plan du rotor ainsi que de torsion. Pour resister à ces efforts, les différentes parties sont faites de stratifiés principalement constitués de renforts longitudinaux et de couches à ±45◦. Afin de faciliter la compréhension des mécanismes en jeux, deux configurations d’empilements seront étudiées, soit:

• Le stratifié unidirectionnel chargé dans le sens des renforts, qui est la constituante principale des structures portantes de la pale.

• Le stratifié [±45]s, qui procure la rigidité et la résistance au cisaillement pour la structure de type poutre qu’est une pale.

La plage de température considérée est limitée à celle que l’on peut légitimement espérer observer au cours de la vie utile d’une turbine exposée au climat canadien, soit un froid hivernal extrême de -40℃ et un maximum estival de 60℃ pour une surface directement exposée au rayonnement solaire estival. Les fréquences de fatigue considérées se limitent aussi à un maximum de 24 Hz.

Les résultats obtenus montrent que la résistance et la rigidité mesurées lors d’essais quasi statiques sont fortement influencées, tant à basse qu’à haute température. Une basse température produit une hausse marquée des deux propriétés, alors qu’une haute température sera délétère. Toutefois, bien que la tendance observée en statique à haute température soit retrouvée en fatigue, une basse température semble avoir un effet bien moins marqué en fatigue (surtout pour les composites unidirectionnels). Les courbes S–N subissent une combinaison de décalage et de changement de pente sous l’effet de la température. À basse température, ce changement de pente favorise la résistance à la fatigue pour des charges élevées, mais en contrepartie de vies réduites pour des chargements de fatigue faibles. Cette situation est susceptible d’être particulièrement importante pour les pales d’éoliennes puisqu’elles opèrent généralement à des basses contraintes de fatigue, mais sur de très longues périodes. Les effets de la fréquence se sont avérés peu marqués dans la plage étudiée, mais les résultats montrent tout de meme la possibilité d’une légère diminution de la vie en fatigue lorsque la fréquence augmente.

Une méthodologie permettant de prédire, à partir d’un minimum d’expérience en régime quasi statique, les changements dus à la température sur la courbe S–N probabiliste d’un stratifié dont une majorité de renforts sont alignés avec la charge est suggérée. La méthodologie est basée sur un modèle de dégradation cyclique de la résistance, don't les paramètres varient avec la température d’une manière pouvant être corrélée avec l’effet de la température sur la résistance en statique. Comme cette dernière est aussi un paramètre du modèle, une fonction décrivant les effets de la température sur la résistance en statique est aussi présentée. Les prédictions des modèles de résistance statique et de celui de fatigue concordent très bien avec l’expérience (et ce à différente probabilité de survie pour le cas de la fatigue).

Finalement, des modèles permettant de décrire l’influence de la température sur la résistance mécanique, ainsi que sur les modules de conservation et de perte et pour plusieurs transitions sont proposés. Une modélisation des effets de la fréquence sur le module de conservation et sur la température de transition vitreuse est aussi développée. Ces modèles permettent une excellente représentation du comportement viscoélastique dynamique des polymères et composites sur lesquels ils ont étés validés (époxy et composites à matrice époxy). En plus de permettre une définition sans ambiguité de la temperature de transition vitreuse, le modèle permet d’évaluer les effets de la température et de la fréquence sur le module de conservation sans avoir recours au principe de superposition temps-température. Les résultats obtenus montrent que si le facteur de décalage en superposition temps-température est calculé à partir du modèle, il est continu de part et d’autre de la transition vitreuse. Ce résultat suggère que la discontinuité communément attendue à ce point n’est possiblement qu’un artefact provenant du fait que la dependence à la fréquence de la température de transition vitreuse est négligée dans les approaches conventionnelles.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 285-305.
Mots-clés libres: Turbines Aubes Matériaux Effets de la température sur. Résistance des matériaux. Composites à fibres Fatigue. Composites à fibres Propriétés mécaniques. Fibres de verre. Résines époxydes. Stratifiés. Facteur de charge. Viscoélasticité. Turbines Aubes Matériaux Durée de vie Régions froides. Industrie éolienne Régions froides. rigidité, énergie éolienne, résistance, taux de chargement, temperature
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Joncas, Simon
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Masson, Christian
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 05 avr. 2018 14:58
Dernière modification: 05 avr. 2018 14:58
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2024

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