New SMA based architecture for wind turbine blades

The expansion in the use of wind energy is leading to fabrication of larger lightweight wind turbine blades, which are more flexible and consequently more sensitive to dynamic excitations. The scope of this project is to investigate the possibility of overcoming the excessive vibrations of the blade by proposing a SMA embedded architecture (Hybridized architecture) of wind turbine blade, which enables us to control the vibration by taking a passive strategy. To do so, martensitic Cu83.5Al11.65Mn3 thin sheets as a high damping material are fabricated and characterized. Damping of the sheets with various heat-treatment have been investigated to find the optimal treatment with highest damping. Since the material exhibit considerable non-linearity and an amplitude dependent damping, classical methods to model the damping were not applicable. This problem is addressed by developing a numerical material model based on Masing hysteresis theory. The model is developed in UMAT interface of ABAQUS and validated in order to replicate the behaviour of the Cu85.35Al11.65Mn3. After experimental and numerical characterization of material, hybrid SMA/GFRP plate has been fabricated and its efficiency to improve the damping in comparison with GFRP plate was investigated both experimentally and numerically using the developed material model. The study in finalized with investigating the idea of SMA embedded architecture of blade’s laminate composite. The laminate composite layup of the blade was hybridized by embedding SMA layers, in areas which are recognized as having the major role in the dissipation of energy. The response of the blade with new architecture has been investigated in the time domain, to find an optimal composite layup in which the smallest amount of SMA is used while system damping is being maximized.

L’Espansione nell’uso dell’energia eolica sta portando alla fabbricazione di pale di turbine eoliche leggere più grandi, che sono piu flessibili e di conseguenza più sensibili alle eccitazioni dinamiche. Lo scopo di questo progetto è quello di studiare la possibilit`a di superare le vibrazioni eccessive della pala proponendo un’architettura ibrida del materiale composito con cui sono realizzate le pale delle turbine eolica, che ci consente di controllare le vibrazioni in modo passivo. Per fare cioè, sono stati realizzate e caratterizzate lamine sottili di materiale a memoria di forma con struttura martensitica, come materiale ad alto smorzamento. E’ stato studiato lo smorzamento delle lamine con vari trattamenti termici per trovare il trattamento ottimale finalizzato al massimo smorzamento interno del materiale. Poichè il materiale mostra una notevole non-linearita e uno smorzamento dipendente dall’ampiezza, i metodi classici per modellare lo smorzamento non erano applicabili. Questo problema è stato affrontato sviluppando un modello di materiale tipo Masing che assume l’area del ciclo di isteresi come parametro di smorzamento interno. Il modello è stato sviluppato in interfaccia UMAT e validato per replicare il comportamento della lega in studio sulla base di analisi ad elementi finiti. Dopo aver caratterizzato il materiale a memoria di forma, è stata fabbricata una piastra di spessore sottile ibrida SMA / GFRP ed è stato studiato il suo comportamento dinamico, sia numericamente sia sperimentalmente, rispetto al comportamento dinamico di una piastra analoga realizzata in semplice GFRP Lo studio si è concluso con l’analisi dell’idea dell’architettura ibrida SMA del composito laminato applicata ad una pala di turbina eolica. Nella pala eolica il lay-up del composito laminato è stato reso ibrido incorporando strati di SMA, in aree caratterizzata dai maggiori livelli di energia di deformazione elastica. La risposta della pala con la nuova architettura è stata studiata nel dominio del tempo, per trovare un layup ibrido ottimale in cui viene utilizzata la minore quantità.