Tuuliturbiinin lavan rakenneanalyysi : kuitujen orientaation vaikutus komposiittilavan taipumaan
Kauhala, Teemu (2022)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202204205478
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202204205478
Tiivistelmä
Opinnäytetyön tavoitteena oli analysoida tuuliturbiinin kuitulujitteisen komposiittilavan lujuusteknisiä ominaisuuksia. Analyysissa hyödynnettiin numeerisia ratkaisuperiaatteita, kuten elementtimenetelmiä ja numeerisen virtausdynamiikan simulaatioita. Komposiittirakenteiden analyysi keskittyi selvittämään, miten kuitujen orientaatio vaikuttaa komposiittilavan taipumaan sekä laminaatissa esiintyviin jännityksiin ja vaurioihin.
Jatkuvasti kasvavat uusiutuvan energian markkinat ja yhä suurempi tarve energiantuotantoon kuluneen vuosikymmen aikana ovat lisänneet tutkimus- ja kehitystyön tarvetta tuulitekniikan alalla. Tuulivoimalaitoksissa tapahtunut kehitys nähdään laitosten fyysisen koon kasvuna sekä tuotetun energian määrän lisääntymisenä. Entistä suurempien laitosten toteuttaminen tuo kuitenkin uusia haasteita, sillä suunnittelussa on analysoitava yksityiskohtia, joiden määrittely perinteisin menetelmin on lähes mahdotonta.
Opinnäytetyön tietoperustana ovat tuulitekniikan perusteet sekä tuuliturbiinin lavan rakenne, siinä käytetyt materiaalit, materiaalien mekaniikka ja numeerinen virtausdynamiikka. Tietoperustassa esitellään myös elementtimenetelmien peruskäsitteet. Työn toiminnallisessa osuudessa tehdyt CFD- ja FE-analyysit toteutettiin Ansys 2021 R2 -simulaatio-ohjelmaan sisältyvillä Fluent- ja Static Structural -analyysijärjestelmillä.
Opinnäytetyössä toteutetuista analyyseistä saadut tulokset osoittivat, että kuitujen orientaation vaikutukset komposiittilavan taipumaan ovat kuitujen toisessa pääsuunnassa yli kolme kertaa suurempia verrattuna ensimmäiseen pääsuuntaan. Vastaavasti rakenneanalyysin tulokset osoittivat myös, että ortotrooppisessa laminaattirakenteessa esiintyvät vauriot ovat riippuvaisia kuitujen orientaatiosta. Tämä johtuu siitä, että lapamateriaalina käytetyn lasikuidun mekaaniset ominaisuudet poikkeavat toisistaan kuidun pääsuuntien välillä.
Jatkuvasti kasvavat uusiutuvan energian markkinat ja yhä suurempi tarve energiantuotantoon kuluneen vuosikymmen aikana ovat lisänneet tutkimus- ja kehitystyön tarvetta tuulitekniikan alalla. Tuulivoimalaitoksissa tapahtunut kehitys nähdään laitosten fyysisen koon kasvuna sekä tuotetun energian määrän lisääntymisenä. Entistä suurempien laitosten toteuttaminen tuo kuitenkin uusia haasteita, sillä suunnittelussa on analysoitava yksityiskohtia, joiden määrittely perinteisin menetelmin on lähes mahdotonta.
Opinnäytetyön tietoperustana ovat tuulitekniikan perusteet sekä tuuliturbiinin lavan rakenne, siinä käytetyt materiaalit, materiaalien mekaniikka ja numeerinen virtausdynamiikka. Tietoperustassa esitellään myös elementtimenetelmien peruskäsitteet. Työn toiminnallisessa osuudessa tehdyt CFD- ja FE-analyysit toteutettiin Ansys 2021 R2 -simulaatio-ohjelmaan sisältyvillä Fluent- ja Static Structural -analyysijärjestelmillä.
Opinnäytetyössä toteutetuista analyyseistä saadut tulokset osoittivat, että kuitujen orientaation vaikutukset komposiittilavan taipumaan ovat kuitujen toisessa pääsuunnassa yli kolme kertaa suurempia verrattuna ensimmäiseen pääsuuntaan. Vastaavasti rakenneanalyysin tulokset osoittivat myös, että ortotrooppisessa laminaattirakenteessa esiintyvät vauriot ovat riippuvaisia kuitujen orientaatiosta. Tämä johtuu siitä, että lapamateriaalina käytetyn lasikuidun mekaaniset ominaisuudet poikkeavat toisistaan kuidun pääsuuntien välillä.