Validated design rules for adhesive bonding in wind turbine rotor blade repairs

Abstract

The main objective of this thesis is to develop the scientific and technological frame that will issue validated design rules for rotor blade repair, mainly driving the outline of this manuscript. Firstly, a literature survey is undertaken to present an overview of the development of adhesive joint modelling. Adhesive joints have been investigated over the past 70 years and an outline of the numerous analytical and numerical models, that have been developed, is presented here. The area of structural bonded repair of composites is briefly reviewed as well. The second part introduces a comprehensive test campaign, including adherend and adhesive material characterization, which is undertaken in order to investigate repair patching efficiency. Experiments on bonded coupons are designed to study several joint parameters and bonding techniques used in the rotor blade repair industry. The third goal is to meet the problem of predicting the behaviour and strength of adhesive joints. A modelling procedure for simulating adhesive joint behaviour is presented. Degradation models, simulating damage propagation, without predefining the failure path, are introduced for both composite adherends and polymeric adhesives. Material nonlinearity of the adherends is also implemented, while the presented softening procedure accounts for energy dissipation during debonding. Last part of this work includes the modelling and experimental validation of a real-world implementation of adhesively patching a defect rotor blade. The effect of the defect on the residual strength of the blade is investigated and the optimal repair design is performed. Finally, full scale test of the rotor blade sub-component is performed to validate the repair design.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός επιστημονικού και τεχνολογικού πλαισίου το οποίο θα δώσει επιβεβαιωμένες μεθόδους σχεδιασμού συγκολλητών επισκευών σε πτερύγια ανεμογεννητριών. Το αρχικό κίνητρο για την πραγματοποίηση της παρούσας μελέτης είναι η ταχεία ανάπτυξη του κλάδου επισκευών πτερυγίων. Αυτή οφείλεται κυρίως στο απαγορευτικό κόστος αντικατάστασης των σύγχρονων πτερυγίων, μήκους μέχρι και 80 μέτρων και στην ανάγκη μείωσης του χρόνου που η ανεμογεννήτρια παραμένει ανενεργή. Η επιστημονική κοινότητα εδώ και πολλές δεκαετίες προσπαθεί να προσφέρει εύχρηστα εργαλεία για την προσομοίωση συγκολλητών συνδέσμων, εστιάζοντας όμως κυρίως σε υλικά και μεθόδους που χαρακτηρίζουν αεροναυπηγικές κατασκευές υψηλού κόστους. Τα πτερύγια ανεμογεννητριών κατασκευάζονται μεν από σύνθετα υλικά, αλλά με χαμηλότερες ιδιότητες και μεγαλύτερες ανοχές στον σχεδιασμό για την επίτευξη του απαιτούμενου χαμηλού κόστους. Ομοίως, είτε κατά την συναρμολόγηση είτε κατά την επισκευή των πτερυγίων, απαιτούνται εργαλεία και τεχνογνωσία κατάλληλη για τον σχεδιασμό αξιόπιστων συνδέσμων χαμηλού κόστους. Η παρούσα μελέτη συγχρηματοδοτήθηκε από την ΕΥΔΕ-ΕΤΑΚ μέσω του προγράμματος ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011. Με την καθοδήγηση των βιομηχανικών εταίρων και λαμβάνοντας υπόψιν τις εγχώριες απαιτήσεις επισκευών πτερυγίων, σχεδιάστηκε μία εκτενής πειραματική μελέτη παραμέτρων υλικών που χαρακτηρίζουν συγκολλητούς συνδέσμους σε πτερύγια. Τα αποτελέσματα της παραμετρικής μελέτης συνδέσμων χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης της προοδευτικής αστοχίας συνδέσμων. Το μοντέλο χαρακτηρίζεται από τον προτεινόμενο νόμο χαλάρωσης που αποτελεί και την επιστημονική καινοτομία της μελέτης. Το τελευταίο τμήμα της εργασίας εστιάζει στην χρήση του μοντέλου στον σχεδιασμό ενός πραγματικού επιθέματος. Το επίθεμα που σχεδιάστηκε αφορά την επισκευή ενός τύπου πτερυγίου με βλάβη στο εσωτερικό του. Ο σχεδιασμός του επιθέματος επιβεβαιώθηκε κάνοντας δοκιμή πλήρους κλίμακος σε τμήμα του ίδιου του πτερυγίου. Το δοκίμιο σχεδιάστηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας και κατασκευάστηκε από τον βιομηχανικό εταίρο.