Dimitrov, Nikolay Krasimirov

Anvendelsen af vindenergi er udvidet betydeligt i løbet af det seneste årti. Fra at være et niche-marked har vindmølleindustrien udviklet sig til en betydelig aktør i energisektoren. Fremgangen i vindmølleindustrien kræver mere effektive løsninger, og det har skabt forøget fokus på probabilistisk modellering og design. Pålidelighedsbaserede design metoder har potentiale til at blive et effektivt værktøj som kan forbedre indsigten i teknologien, forklare usikkerhederne, og bruges som et probabilistisk grundlag for kalibrering af deterministiske designværktøjer.Denne afhandling fokuserer på pålidelighedsbaseret design of vindmøllevinger. Hovedformålet er at tegne et klart billede af, hvordan pålidelighedsbaseret design af vindmøller skal udføres i praksis. Målsætningerne er at skabe metoder for effektiv pålidelighedsanalyse af kompositmaterialer og komposit-vindmøllevinger, samt kortlægge usikkerhederne i de processer, materialer og miljøfaktorer, som har en effekt på strukturens sikkerhed.I studiet er taget hensyn til alle processer i en pålidelighedsanalyse, fra definering af strukturelle modeller af komponenter til estimering af pålidelighedsindeks og kalibrering af sikkerhedsfaktorer. Proceduren for beregning af svigtsandsynligheden af vindmøllevinger og vingekomponenter demonstreres i detaljer, der formuleres flere probabilistiske modeller for belastning og styrke, og der svares på følgende videnskabelige og praktiske spørgsmål:a) Hvilke materiale-, last- og usikkerhedsmodeller skal brugesb) Hvilke svigtmåder skal der tages hensyn tilc) Hvilke metoder for pålidelighedsanalyse er mest velegnede til de konkrete problemerd) Skal der tages hensyn til faktorer som er specifikke for vindmøller, for eksempel materialer og driftsforholde) Er der mulighed for teknologiske fremskridt igennem udvikling af nye modeller, standarder, og udførelse af testsFølgende områder diskuteres i detaljer: Probabilistiske aspekter af laminaternes maksimalstyrke diskuteres. Laminerede plader betragtes som et generelt pålidelighedssystem, hvor hvert lag i laminatet er en separat systemkomponent. Løsning af et eksempelproblem viser hvordan pålideligheden af et sådant system kan beregnes. Probabilistiske modeller for udmattelse af laminater og sandwichkerner defineres og kalibreres til testmålinger. En modificeret, ulineær S-N kurve formuleres hvor materialets statiske styrke inkluderes som parameter. Udmattelseskapaciteten af laminater estimeres ved brug af en "Bayesian Inference"model, baseret på statisk og udmattelsesstyrke af individuelle lag af kompositmateriale. En serie af udmattelsestester er blevet udført, og en probabilistisk model for udmattelseskapaciteten af balsakernemateriale lastet med forskydningsspænding er kalibreret til testresultaterne. I et opsummeringsstudie sammenlignes adskillige statistiske ekstrapolationsmetoder for deres evne til modellering af den korttids-statistiske fordeling af vingelaster og tipudbøjning. De bedst fungerende metoder udpeges, og adskillige forbedringer foreslås, heriblandt en procedure for automatisk estimering af ekstremresponsens tærskelværdi, som giver mulighed for effektiv automatisk brug af "peaks-over-threshold"methoder. Problemet omkring evaluering af den langtids-statistiske fordeling af laster diskuteres ved hjælp af resultatsammenligning fra integration af ekstrapolerede korttids-statistiske fordelinger versus direkte sampling fra den langtids-statistisk fordeling. Sammenligningen er baseret på langtidsfordelingerne af vindhastighed, turbulens og vindprofil. En statistisk model for vindprofilet er blevet udviklet specifikt til formålet. Usikkerheder i last- og materialemodellering diskuteres. En kvantitativ evaluering af effekten af adskillige usikkerhedsfaktorer udføres, baseret på modeller og testresultater. Eksampelanalyser demonstrerer processen for estimering af pålideligheden i adskillige svigtmåder for to forskellige strukturer. Dette inkluderer pålideligheden mod vinge-tårn kollision, samt pålideligheden mod ekstrem- og udmattelsessvigt af et sandwichpanel.Resultaterne fra pålidelighedsanalyserne bruges til at kalibrere partielle sikkerhedsfaktorer til en fastsat pålidelighedsværdi. Hovedkonklusionerne fra studiet er at: a) Problemet ved estimering af pålidelighed for vindmøllevinger er blevet undersøgt i detaljer, og passende metodologier til effektiv og robust pålidelighedsanalyse er blevet identificeret, b) modelusikkerheder har en stor indvirkning på pålidelighedsværdierne, og en indsats for at reducere modelusikkerhederne kan belønnes med forbedret strukturpålidelighed og lavere sikkerhedsfaktorer, og c) vindmølledesign som bruger de nyeste modeller og standardværdier for sikkerhedsfaktorer resulterer i en tilstrækkelig pålidelighed, og i mange tilfælde er den aktuelle pålidelighed højere end hvad er antaget i standarderne.Nogle områder som har behov for yderligere undersøgelse er analyse af defekters indvirkning, udmattelsesegenskaber af kompositter, definition af fysiske modeller til summering af udmattelsesskade, omkostningsstudier som kan danne grundlag for udførelse af risikobaserede beslutningsanalyser, kvantificering af usikkerhedsfaktorer, og videreudvikling af indsigten i vindmøllelaster, herunder vindmøllestyringen, ekstreme hændelser under drift, fejlhyppighed, og analyse af vindfeltet over rotoren.In the past decade the use of wind energy has expanded significantly, transforming a niche market into a practically mainstream energy generation industry. With the advance of turbine technology the search for more efficient solutions has lead to increased focus on probabilistic modelling and design. Reliability-based analysis methods have the potential of being a valuable tool which can improve the state of knowledge by explaining the uncertainties, and form the probabilistic basis for calibration of deterministic design tools.The present thesis focuses on reliability-based design of wind turbine blades. The main purpose is to draw a clear picture of how reliability-based design of wind turbines can be done in practice. The objectives of the thesis are to create methodologies for efficient reliability assessment of composite materials and composite wind turbine blades, and to map the uncertainties in the processes, materials and external conditions that have an effect on the health of a composite structure.The study considers all stages in a reliability analysis, from defining models of structural components to obtaining the reliability index and calibration of partial safety factors. In a detailed demonstration of the process of estimating the reliability of a wind turbine blade and blade components, a number of probabilistic load and strength models are formulated, and the following scientific and practical questions are answered:a) What material, load and uncertainty models need to be usedb) How can different failure modes be taken into accountc) What reliability methods are most suitable for the particular taskd) Are there any factors specific to wind turbines such as materials and operating conditions that need to be taken into accounte) Are there ways for improvement by developing new models and standards or carrying out testsThe following aspects are covered in detail:⋅ The probabilistic aspects of ultimate strength of composite laminates are addressed. Laminated plates are considered as a general structural reliability system where each layer in a laminate is a separate system component. Methods for solving the system reliability are discussed in an example problem.⋅ Probabilistic models for fatigue life of laminates and sandwich core are developed and calibrated against measurement data. A modified, nonlinear S-N relationship is formulated where the static strength of the material is included as a parameter. A Bayesian inference model predicting the fatigue resistance of face laminates based on the static and fatigue strength of individual lamina is developed. A series of tests of the fatigue life of balsa wood core material are carried out, and a probabilistic model for the fatigue strength of balsa core subjected to transverse shear loading is calibrated to the test data.⋅ A review study evaluates and compares several widely-used statistical extrapolation methods for their capability of modelling the short-term statistical distribution of blade loads and tip deflection. The best performing methods are selected, and several improvements are suggested, including a procedure for automatic determination of tail threshold level, which allows for efficient automated use of peaks-over-threshold methods.⋅ The problem of obtaining the long-term statistical distribution of load extremes is discussed by comparing the method of integrating extrapolated short-term statistical distributions against extrapolation of data directly sampled from the long-term distribution. The comparison is based on the long-term distribution of wind speed, turbulence, and wind shear, where a model of the wind shear distribution is specifically developed for the purpose.⋅ Uncertainties in load and material modelling are considered. A quantitative assessment of the in uence of a number of uncertainties is done based on modelled and measured data.⋅ Example analyses demonstrate the process of estimating the reliability against several modes of failure in two different structures. This includes reliability against blade-tower collision, and the reliability against ultimate and fatigue failure of a sandwich panel. The results from the reliability analyses are then used for calibrating partial safety factors against a target reliability level.The main conclusions from the thesis are that a) the problem of estimating the reliability of wind turbine blades has been addressed in detail, and suitable methodologies for carrying efficient and robust reliability analysis have been identified, b) model uncertainties have a very high influence on the reliability estimate, and an effort to reduce model uncertainties can be rewarded with improved structural reliability or lower safety factors, and c) wind turbine design using present state-of-the-art models and standard safety factors results in sufficiently safe structures, and in some cases the actual reliability exceeds the assumed sufficient reliability levels significantly.Aspects that need to be covered in further work are investigating the in uence of defects, studying the fatigue properties of composites and defining physical models for fatigue damage accumulation, making risk-based decision analysis possible by including cost measures, quantification of uncertainties, and further improving the knowledge on turbine loads, including turbine controller behaviour, extreme operational events and frequency of faults, and assessment of the wind field across the entire rotor

Online Research Database In Technology

Structural Reliability of Wind Turbine Blades:Design Methods and Evaluation

http://orbit.dtu.dk/ws/files/74572952/PhdThesis_NDI_Draft_12_February2013..PDF

Structural Reliability of Wind Turbine Blades:Design Methods and Evaluation

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology