Değişen Kademeli Mesafelerin Konik Laminatların Yük Taşıma Kapasitesine Etkisinin İncelenmesi


Ergin F., Kayran A.

Wind Energy Science Conference, Glasgow, İngiltere, 23 - 26 Mayıs 2023

  • Yayın Türü: Bildiri / Yayınlanmadı
  • Basıldığı Şehir: Glasgow
  • Basıldığı Ülke: İngiltere
  • Orta Doğu Teknik Üniversitesi Adresli: Evet

Özet

Rüzgar türbini yapılarındaki uygun katlar, ağırlık tasarrufu ve maliyet düşürme amacıyla sonlandırılmıştır. Ancak bu kat sonlandırma konumları lamine kompozitlerin mukavemetini azaltır. Birçok araştırmacı konik yapılarda hasarın başlamasını ertelemenin bir yolunu arıyor. Kat kaydırma tekniği ve kat eğme sonlandırma yöntemi kullanılarak kat düşme konumundaki gerilim konsantrasyonları azaltıldığında, delaminasyon arızasının bastırılabileceği gösterilmiştir. Bazı araştırmacılar ayrıca matris sistemini nanopartiküllerle emprenye ederek malzeme özelliklerini geliştirerek, konik bir yapıda çatlak yayılmasına karşı direncin iyileştirilebileceğini gösterdi. Ancak tüm bu yöntemler yeni bir üretim tekniği veya malzemesi gerektirir. Yapının performansının halihazırda mevcut malzeme ve araçlarla iyileştirilmesi, yeni ürünlerde tasarım esnekliği ve hızlı uygulama olanağı sağlar. Ardışık katman azaltma noktaları arasında farklı kademeli olarak değiştirerek, değişen konik açılara sahip konik yapılar elde edilebilir. Yazarların bilgisi dahilinde, literatürde değişen konik açılara sahip konik laminatlar incelenmemiştir ve olası faydaları  ayrıntılı olarak araştırılmamıştır. Bu nedenle, bu çalışmada, değişen kademeli mesafe tasarımının konik laminatların yük taşıma kapasitesi üzerindeki etkileri 2 boyutlu parametrik sonlu elemanlar modelleri kullanılarak araştırılmıştır. ABAQUS'ta ayrıntılı parametrik modeller oluşturmak için bir python kodu geliştirildi. Konik laminatlarda katman ayrılması ana hasar modu olduğundan, kat içi hasarlar çalışmada dikkate alınmamıştır. Katlar arası hasarın başlatılması ve yayılması, sıfır kalınlıkta kohesiv elemanlar kullanılarak tahmin edilirmiştir. Ardışık kat düşüşleri arasındaki koniklik açısının ve farklı kademe mesafelerinin etkilerini anlamak için tek ve çok kademeli kat sonlandırma alternatifleri araştırılmıştır. Farklı koniklik açılarına sahip tek kademeli kat düşme modelleri için elde edilen sonuçlar, geçiş uzunluğu azaldıkça ince kesit delaminasyon başlangıç ​​yükünün azaldığını, kalın kesit için katman ayrılması başlangıç ​​yükünün ise geçiş uzunluğundan etkilenmediğini ve sabit kaldığını göstermiştir. İnce kesit katman ayrılması başlangıcının konik geometriye büyük ölçüde bağımlılığı göz önüne alındığında, geçiş uzunluğunu sabit tutarak çok aşamalı kat sonlandırma modelleri için çeşitli değişken kademeli mesafe modelleri oluşturulur. Sonuçlar, aynı geçiş uzunluğu için konik yapının yük taşıma kapasitesinin iyileştirilebileceğini ve ardışık kat düşüşleri arasında değişken kademeli mesafe kullanılarak ince kesit katman ayrılması başlangıç ​​yükünün ertelenebileceğini göstermektedir.

Suitable plies in wind turbine structures are terminated for weight-saving and cost reduction purposes. However, these ply termination locations decrease the strength of the laminated composites. Many researchers are looking for a way to postpone the damage initiation in tapered structures. It is shown that delamination failure can be suppressed when the stress concentrations are reduced at the ply drop location by using the ply scarfing technique, and the ply curving termination method. Some researchers also showed that by enhancing the material properties by impregnating the matrix system with nanoparticles, resistance to crack propagation in a tapered structure can be improved. However, all these methods require a new manufacturing technique or material. Improving the performance of the structure with already existing materials and tools offers design flexibility and rapid implementation in new products. By prescribing different stagger distances between consecutive ply drops, tapered structures with varying taper angles can be obtained as shown in Figure 1. To the best of the authors’ knowledge, in the literature tapered laminates with varying taper angles are not studied and possible benefits are not investigated in detail. Therefore, the effects of the varying stagger distance design on the tapered laminates' loadcarrying capacity are investigated in this study by using 2D parametric finite element models. A python script is developed to generate the detailed parametric models in ABAQUS. Since delamination is the main failure mode in tapered laminates, intraply failures are not considered in the study. Interply damage initiation and propagation are predicted by using zero-thickness cohesive elements. To understand the effects of taper angle and different stagger distances between consecutive ply drops, ply termination alternatives in single and multiple stages are investigated. Results obtained for single-stage ply drop models with different taper angles have shown that while the thin section delamination initiation load decreases as the transition length decreases, the delamination initiation load for the thick section is not affected by the transition length and stays constant. Considering the substantial dependency of the thin section delamination initiation on the tapered geometry, various variable stagger distance models are created for multistage ply termination models by keeping the transition length constant. Results show that the load-carrying capacity of the tapered structure for the same transition length can be improved and thin section delamination initiation load can be postponed by using variable stagger distance between consecutive ply drops.