Development and validation of tools for the structural design of wind turbine blades

Forcier, Louis-Charles (2020). Development and validation of tools for the structural design of wind turbine blades. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The design of a wind turbine is an iterative process in which a solution is refined from the preliminary stage to the final concept. The objective of this thesis is to develop and evaluate certain tools used during the different steps of the wind turbine blade structural design process.

A first aspect that is treated in this thesis is the question of the transfer of loads obtained from an aeroelastic model of the wind turbine to a three-dimensional shell finite element model of the blade. The principal difficulty encountered results from the fact that the loads have to be transferred from a model where the blade is idealized as a beam to a three-dimensional model. To manage this difficulty, a kinematic model of a generic wind turbine was built. This model helped develop a method to apply gravitational and inertial loads to the three-dimensional finite element model of a blade by defining accelerations and rotations about given axes. Aerodynamic loads are applied using RBE3-type elements. The developed kinematic model also allows to obtain analytical equations to compute of gravitational and inertial loads when the wind turbine operating parameters (dimensions, velocities, accelerations) and blade mass parameters are known.

A second aspect dealt with in this thesis is the choice of a structural model for the wind turbine blades dimensioning and validation. Four models of different levels of complexity have been used to model the blades of the Wind Energy Strategic Network’s (WESNet) 10 kW wind turbine. From the simplest to the most refined, these models are: a beam model where the loads are supported by a cross section idealized as two rectangular strips representing the spar caps; a beam model based on the strength of materials theory adapted for non-homogeneous thin-walled cross sections; a beam model based on thin-walled cross-sectional finite elements; and a shell finite element model of the whole blade. The comparison of the results from these models with different experimental data sets shows that the first model gives conservative results for stresses, strains and blade strength. These results have also enough precision to allow this model to be used for the feasibility evaluation of a blade geometry. The second and third models show a level of precision that allows their use for preliminary dimensioning and validation in regards to blade deflection, stresses, strains, strength and natural frequencies. These last two models are also the ideal tools for the computation of the blade cross-sectional properties needed for wind turbine aeroelastic models. Finally, the shell finite element model is required for the final blade dimensioning and validation because it is the only one that is able to compute correctly the complex stress field in the region of the blade where the cross-sectional shape change rapidly.

The third aspect that was addressed in this thesis is the development of a finite element code for the analysis of composite thin-walled beam cross sections. This is the third model presented earlier. This method is based on a thin-walled implementation of the Nonhomogeneous Anisotropic Beam Section Analysis method. This implementation uses 3-node line finite elements with nodes having translational and rotational degrees of freedom. This allows to easily set up a model of a thin-walled composite cross section for the analysis of stress, strain, shell load and warping distributions as well as for the computation of the cross-sectional stiffness properties. The proposed method allows to precisely evaluate the behaviour of composite beams including the effects of geometric (including unbalanced and nonsymmetrical layups) and material couplings as well as the transverse shear behaviour.

Résumé traduit

La conception d’une pale d’éolienne est un processus itératif durant lequel on raffine une solution du concept préliminaire jusqu’au concept final. L’objectif de cette thèse est de développer et d’évaluer certains outils en lien avec les différentes étapes du processus de conception d’une pale d’éolienne.

Un premier aspect abordé est la question du transfert des chargements calculés sur un modèle aéroélastique d’une éolienne vers un modèle d’éléments finis à trois dimensions d’une pale. La principale difficulté étant liée au transfert des chargements d’une pale modélisée comme une poutre vers un modèle de pale modélisée en trois dimensions. Pour faire face à cette difficulté, un modèle cinématique d’une éolienne générique a été réalisé. Cela permet de développer une méthode d’application des charges gravitationnelles et inertielles dans le modèle d’éléments finis de la pale en imposant des forces volumiques par l’entremise d’accélérations et de rotations autour d’axes donnés. Les chargements aérodynamiques sont quant à eux appliqués à l’aide d’éléments de type RBE3. Le modèle cinématique a également permis d’obtenir des équations analytiques permettant d’évaluer l’effet des charges gravitationnelles et inertielles, en termes d’efforts internes dans la pale, à partir des paramètres d’opération de l’éolienne (dimensions, vitesses, accélérations) et des paramètres de masse de la pale.

Un deuxième aspect abordé dans cette thèse est le choix du modèle structural pour le dimensionnement et la validation des pales d’éolienne. Quatre modèles de niveau de complexité différents ont été utilisés pour modéliser les pales de l’éolienne de 10 kW du Wind Energy Strategic Network (WESNet). Du plus simple au plus raffiné, on retrouve : un modèle de poutre où les chargements ne sont repris que par deux bandes rectangulaires représentant les semelles de longeron ; un modèle de poutre reprenant les théories de la résistance des matériaux appliquées à une section à paroi mince hétérogène ; un modèle de poutre utilisant des éléments finis de section de poutre composite à paroi mince ; et finalement, un modèle d’éléments finis de coques de la pale entière. La comparaison des résultats de ces différents modèles avec les données expérimentales de l’éolienne du WESNet a permis de montrer que le premier modèle donne des résultats sécuritaires et assez précis en ce qui concerne l’évaluation des contraintes, des déformations et de la résistance de la pale pour être en mesure d’évaluer la faisabilité d’une géométrie de pale. Les deuxième et troisième modèles ont quant à eux montré un niveau de précision permettant de les utiliser en dimensionnement et validation préliminaire en ce qui concerne l’évaluation de la flèche, des contraintes, des déformations, de la résistance et des fréquences propres de la pale. Ces deux derniers modèles sont les outils idéaux à utiliser pour calculer les propriétés de section nécessaires pour le modèle aéroélastique de l’éolienne. Finalement, le modèle d’éléments finis de coques est requis lors du dimensionnement et de la validation finale de la pale puisqu’il est le seul à représenter correctement la complexité du champ de contraintes dans les régions de la pale où la section change de forme rapidement.

Le troisième aspect traité dans cette thèse concerne le développement d’un code d’éléments finis pour l’analyse de section de poutres composites à paroi mince (troisième modèle d’analyse structurale présenté précédemment). Cette méthode est basée sur une implémentation de type paroi mince, utilisant des éléments finis de lignes à trois noeuds, de la méthode Nonhomogeneous Anisotropic Beam Section Analysis. L’implémentation proposée permet de mettre en place facilement un modèle d’analyse d’une section de poutre à paroi mince pour en déterminer la distribution des contraintes, des déformations, des efforts de plaque et du gauchissement de même que pour en déterminer les propriétés élastiques de section. La méthode proposée permet d’évaluer avec précision le comportement des poutres composites incluant les effets des couplages géométriques et matériaux (dont les stratifiés non symétriques et non balancés) de même que le comportement en cisaillement transverse.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 203-210).
Mots-clés libres:	pales d’éolienne, matériaux composites, conception structurale, éléments finis, poutres à paroi mince, chargements
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Joncas, Simon
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	26 mai 2021 14:33
Dernière modification:	26 mai 2021 14:33
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2724

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