Προσδιορισμός αξιοπιστίας στον σχεδιασμό κατασκευών από σύνθετα υλικά

Abstract

The dissertation intents to develop a suitable methodology and the relevant numerical tools for the estimation of the reliability of composite material structures, when not only the variability of the loading and the orthotropic material strength properties is taken into account, but also, the variability of the material elastic properties and the thermal expansion coefficients. Simultaneously aim of the work is to develop a method that is easy to use and relatively accurate so that it is practical for use during the design of such structures, that require a multitude of repetitive trails up to the final solutions. In the work the variability of the mechanical properties of composite materials is investigated especially those used in for the manufacturing of wind turbine blades, their statistical modeling as well as methods for the estimation of the structural reliability. Focusing the interest in the structural design of wind turbine blades an adequate numerical tool has been developed for the estimation of the wind turbine blade reliability on the material layer level taking into consideration the variability of the elastic and thermal properties in addition to the strength properties while on the loading side, the variability of the normal stresses as well as the shear stresses starting from the variability of the external loading of the blade is considered. The suggested methods for the estimation of the failure probability of the wind turbine blade are proved applicable also for other composite material structures sharing the characteristic of the applied loads being undertaken mainly by the composite material.

Η διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων υπολογιστικών εργαλείων με σκοπό τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας κατασκευών από σύνθετα υλικά όταν λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο η στοχαστικότητα της φόρτισης και των ιδιοτήτων αντοχής του ορθοτρόπου υλικού αλλά και η μεταβλητότητα των ελαστικών του ιδιοτήτων και των συντελεστών θερμικής διαστολής. Ταυτόχρονα στόχος της εργασίας είναι η μέθοδος που θα αναπτυχθεί να είναι ευκολόχρηστη και αρκετά ακριβής ώστε να καταστεί πρακτική για χρήση σε σχεδιασμό τέτοιων κατασκευών οπού μέχρι το τελικό αποτέλεσμα απαιτούνται πολλές επαναληπτικές δοκιμές. Στην εργασία διερευνάται η μεταβλητότητα των μηχανικών ιδιοτήτων σύνθετων υλικών, κυρίως αυτών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πτερυγίων Ανεμογεννητριών η στατιστική μοντελοποίηση της καθώς και μέθοδοι για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας της κατασκευής. Επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον στον δομικό σχεδιασμό πτερυγίων ανεμογεννητριών αναπτύχθηκε κατάλληλο υπολογιστικό εργαλείο για την εκτίμηση της αξιοπιστίας του πτερυγίου υπό στατική φόρτιση, στο επίπεδο της στρώσης του υλικού λαμβάνοντας υπόψη την στοχαστικότητα των ελαστικών-θερμικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων αντοχής του υλικού ενώ από την πλευρά της φόρτισης περιλαμβάνεται η μεταβλητότητα τόσο των ορθών τάσεων όσο και των διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται στο επίπεδο της στρώσης ξεκινώντας από την στοχαστικότητα της εξωτερικής φόρτισης του πτερυγίου. Οι προτεινόμενες μέθοδοι εκτίμησης της πιθανότητας αστοχίας του πτερυγίου ανεμογεννήτριας αποδεικνύονται εφαρμόσιμες και σε άλλες κατασκευές από σύνθετα υλικά, με κύριο γνώρισμα τους την παραλαβή της φόρτισης σε μεγάλο βαθμό από το σύνθετο υλικό.