Multistable morphing structures using variable stiffness laminates

verfasst von

Ayan Haldar

betreut von

Raimund Rolfes

Abstract

Mit zunehmender Thematisierung des Klimawandels vertiefen auch immer mehr Branchen und Forschungseinrichtungen die Suche nach ökologischen Energiequellen. Windenergie ist eine der billigsten sauberen Energieformen und somit eine attraktive Alternative zu nicht erneuerbaren Energien. Das Hochskalieren von Windkraftanlagen gilt klassischerweise als Mittel zur Kostensenkung je Kilowattstunde und ist nach wie vor im Trend. Mit zunehmender Größe der Rotorblätter von Windkraftanlagen besteht jedoch die Notwendigkeit, Konstruktionen zu entwickeln, die in der Lage sind, Extrem- und Ermüdungslasten zu reduzieren. Die aktive Hinterkantenklappe ist ein vielversprechendes Konzept zur Entlastung großer Rotorblätter von Windkraftanlagen. Die meisten existierenden Klappenmechanismen haben zwar das Potenzial zu einer schnellen Reaktionszeit, und damit verbundener Lastreduktion, sind aber oft mit komplizierten Aktuator-Systemen verbunden, was zu zusätzlichem Gewicht und zunehmender Komplexität führt. Darüber hinaus erfordern sie eine kontinuierliche Energiezufuhr, um eine bestimmte Position der Klappe beizubehalten. Multistabile Laminate mit variabler Steifigkeit (VS) haben ein großes Potenzial bei Morphing-Anwendungen, in erster Linie aufgrund der Existenz mehrerer stabiler Gleichgewichtslagen. Der Einsatz von VS-Laminaten mit kurvenförmigen Faserbahnen ermöglicht es, die Leistungsfähigkeit von multistabilen Laminaten als Morphing-Strukturen weiter zu verbessern. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Eigenschaften von multistabilen VS-Laminaten nutzbar zu machen, und sie bei einem neuartigen Entwurf von Morphing-Hinterkantenklappen anzuwenden. Um dies zu erreichen, bedarf es nicht nur der Entwicklung numerischer und analytischer Werkzeuge, sondern auch eines geeigneten Entwurfes, um die VS-Eigenschaften in eine Morphing-Klappe zu integrieren. Daher wird in dieser Arbeit ein schnelles semi-analytisches Berechnungsverfahren entwickelt, um stabile Gleichgewichtslagen von VS-Laminaten vorherzusagen. Darüber hinaus wird in einer systematischen Studie untersucht, wie sich die stabilen Zustände bei Variation der kurvenförmigen Faserbahnen ändern. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurden Kriterien abgeleitet durch die VS-Laminate in Familien mit gleichartigen multistabilen Gleichgewichtslagen eingeteilt werden können. Dies ist wiederum für den vorgesehenen Entwurf der Morphing-Klappe erforderlich. Durchschlagen, d. h. der Übergang von einer Gleichgewichtslage zur nächsten, ist ein wesentlicher Prozess bei der Charakterisierung multistabiler Laminate in Morphing-Anwendungen. Zwei unterschiedliche Durchschlagsmechanismen werden hier untersucht, einer mit Hilfe konzentrierter Krafteinleitung, und der andere mit piezoelektrischen Aktuatoren. Das oben genannte semi-analytische Berechnungsverfahren verschafft Einblicke in die zugrundeliegende Mechanik sowie die Eigenschaften des Durchschlagsprozesses. Die Erkenntnisse aus den semi-analytischen Berechnungen ermöglichen Entwurf und Analyse komplexerer multistabiler Rechteckplatten. Es wird der optimale Entwurf von rechteckigen Platten mit Aktuatoren bestimmt, der zu einer maximalen Verschiebung außerhalb der Ebene führt, jedoch eine minimale Durchschlagspannung erfordert. Ein neuartiges Konzept einer Morphing-Hinterkantenklappe mit integrierten rechteckigen bistabilen Platten wird vorgestellt. In diesem neuen Konzept ist die Auslenkung der Hinterkante durch multistabile Platten realisiert. Die Verifikation des vorgeschlagenen Morphing-Mechanismus wird mittels Finite Elemente-Software erbracht.

Organisationseinheit(en)

Institut für Statik und Dynamik

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

212

Publikationsdatum

2020

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie, SDG 13 – Klimaschutzmaßnahmen

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/10001 (Zugang: Offen)