Diseño, cálculo y validación por elementos finitos de una pala de aerogenerador de baja potencia según la norma IEC 61400-2

Abstract

En el presente Trabajo Fin de Master (TFM) se ha realizado la validación por elementos finitos de una pala de aerogenerador de baja potencia (10 kW) de material compuesto acorde con los requerimientos impuestos por la norma IEC 61400-2:2006. Tomando como punto de partida un diseño de pala aerodinámico y estructural propio, se ha simulado un set reducido de normativa mediante el software aeroelástico OpenFAST, de forma que a través de un post procesado de resultados se obtienen cargas últimas y de fatiga realistas que se emplean posteriormente para verificar la integridad estructural de la pala alimentando un modelo de elementos finitos. El diseño CAD de la pala se ha realizado empleando el módulo de superficies de Catia V5, y posteriormente se ha importado en MSC.Mentat para construir el modelo de elementos finitos. Se ha generado un primer mallado semiautomático basado en divisiones de curva con MSC.Mentat y posteriormente la calidad del mallado se ha mejorado empleando Hypermesh (Altair). El modelo se construye mediante elementos Shell. Las simulaciones por elementos finitos se han llevado a cabo con el software MSC.Marc, y entre ellas se encuentran un cálculo dinámico modal para la obtención de frecuencias naturales y formas modales, la verificación de deflexión crítica de pala, la comprobación de tejidos frente a fallos de fibra (criterio de deformación máxima) e interfibra (criterio de Puck), la verificación de estabilidad lateral (pandeo) y la comprobación de daño acumulado de fatiga basado en la regla de Miner y curvas S-N. El trabajo también incorpora herramientas de programación y automatización para mejorar la eficiencia en el modelado y facilitar la simulación por elementos finitos con diferentes sets de cargas, lo que favorecería labores de rediseño. Esto último se consigue mediante un script de Python que automatiza la escritura de archivos procedure que Marc puede interpretar. Los resultados obtenidos muestran como la pala está diseñada con un amplio margen de seguridad, siendo el fenómeno más desfavorable la fatiga en el tejido biaxial, lo que permitiría un rediseño de forma que se optimice la ubicación del material a lo largo de la pala y pueda reducirse el peso total de esta.

In this Master's Thesis a finite element validation of a small wind turbine (10 kW) composite blade has been carried out in accordance with the requirements imposed by the IEC 61400-2:2006 standard. Taking as a starting point an own aerodynamic and structural blade design, a reduced set of DLCs of the standard has been simulated by means of the aeroelastic software OpenFAST, so that through a post-processing of the results, realistic ultimate and fatigue loads are obtained, which are subsequently used to verify the structural integrity of the blade by feeding a finite element model. The CAD design of the blade has been done using the surface module of Catia V5, and then it has been imported into MSC.Mentat to build the finite element model. A first semi-automatic mesh based on curve divisions has been generated with MSC.Mentat and then the mesh quality has been substantially improved using Hypermesh (Altair). The model is constructed using Shell elements. The finite element simulations have been carried out with MSC.Marc software, and include a dynamic modal calculation to obtain natural frequencies and modal shapes, the check of critical blade deflection, the verification of fiber (maximum strain criterion) and inter-fiber (Puck criterion) failures, validation of lateral stability (buckling) and comprobation of accumulated fatigue damage based on Miner rule and S-N curves. The work also incorporates programming and automation tools to improve modeling efficiency and facilitate finite element simulation with different sets of loads, which would favor redesign work. The latter is done by means of a Python script that automates the writing of procedure files that Marc can interpret. The results obtained show that the blade is designed with a wide safety margin, the most unfavorable phenomenon being fatigue in the double-bias material, which would allow a redesign to optimize the location of the material along the blade and reduce the overall weight of the blade.