Development and validation of tools for the structural design of wind turbine blades

Résumé

La conception d’une pale d’éolienne est un processus itératif durant lequel on raffine une solution du concept préliminaire jusqu’au concept final. L’objectif de cette thèse est de développer et d’évaluer certains outils en lien avec les différentes étapes du processus de conception d’une pale d’éolienne. Un premier aspect abordé est la question du transfert des chargements calculés sur un modèle aéroélastique d’une éolienne vers un modèle d’éléments finis à trois dimensions d’une pale. La principale difficulté étant liée au transfert des chargements d’une pale modélisée comme une poutre vers un modèle de pale modélisée en trois dimensions. Pour faire face à cette difficulté, un modèle cinématique d’une éolienne générique a été réalisé. Cela permet de développer une méthode d’application des charges gravitationnelles et inertielles dans le modèle d’éléments finis de la pale en imposant des forces volumiques par l’entremise d’accélérations et de rotations autour d’axes donnés. Les chargements aérodynamiques sont quant à eux appliqués à l’aide d’éléments de type RBE3. Le modèle cinématique a également permis d’obtenir des équations analytiques permettant d’évaluer l’effet des charges gravitationnelles et inertielles, en termes d’efforts internes dans la pale, à partir des paramètres d’opération de l’éolienne (dimensions, vitesses, accélérations) et des paramètres de masse de la pale. Un deuxième aspect abordé dans cette thèse est le choix du modèle structural pour le dimensionnement et la validation des pales d’éolienne. Quatre modèles de niveau de complexité différents ont été utilisés pour modéliser les pales de l’éolienne de 10 kW du Wind Energy Strategic Network (WESNet). Du plus simple au plus raffiné, on retrouve : un modèle de poutre où les chargements ne sont repris que par deux bandes rectangulaires représentant les semelles de longeron ; un modèle de poutre reprenant les théories de la résistance des matériaux appliquées à une section à paroi mince hétérogène ; un modèle de poutre utilisant des éléments finis de section de poutre composite à paroi mince ; et finalement, un modèle d’éléments finis de coques de la pale entière. La comparaison des résultats de ces différents modèles avec les données expérimentales de l’éolienne du WESNet a permis de montrer que le premier modèle donne des résultats sécuritaires et assez précis en ce qui concerne l’évaluation des contraintes, des déformations et de la résistance de la pale pour être en mesure d’évaluer la faisabilité d’une géométrie de pale. Les deuxième et troisième modèles ont quant à eux montré un niveau de précision permettant de les utiliser en dimensionnement et validation préliminaire en ce qui concerne l’évaluation de la flèche, des contraintes, des déformations, de la résistance et des fréquences propres de la pale. Ces deux derniers modèles sont les outils idéaux à utiliser pour calculer les propriétés de section nécessaires pour le modèle aéroélastique de l’éolienne. Finalement, le modèle d’éléments finis de coques est requis lors du dimensionnement et de la validation finale de la pale puisqu’il est le seul à représenter correctement la complexité du champ de contraintes dans les régions de la pale où la section change de forme rapidement. Le troisième aspect traité dans cette thèse concerne le développement d’un code d’éléments finis pour l’analyse de section de poutres composites à paroi mince (troisième modèle d’analyse structurale présenté précédemment). Cette méthode est basée sur une implémentation de type paroi mince, utilisant des éléments finis de lignes à trois noeuds, de la méthode Nonhomogeneous Anisotropic Beam Section Analysis. L’implémentation proposée permet de mettre en place facilement un modèle d’analyse d’une section de poutre à paroi mince pour en déterminer la distribution des contraintes, des déformations, des efforts de plaque et du gauchissement de même que pour en déterminer les propriétés élastiques de section. La méthode proposée permet d’évaluer avec précision le comportement des poutres composites incluant les effets des couplages géométriques et matériaux (dont les stratifiés non symétriques et non balancés) de même que le comportement en cisaillement transverse.

Date	10 mars 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Simon Joncas (Directeur(-trice))