Development of the structural model for a thin walled open profile rectangular cantilever beam with longitudinally embedded piezoelectric

Abstract

Morphing blade can change shape and adapt to various operating conditions, resulting in more efficient wing operation. In addition, shape control can be used for active vibration suppression, thereby improving the service life of the blade. In this thesis, a thin walled, open rectangular profile beam is used as a simplified model of morphing wind turbine blades. Piezoelectric strips are assumed to be embedded to the outer surface of the beam for shape and vibration control. An analytic elastic structural model of the beam is developed based on the coupled flexural-torsional model using energy approaches. A general model for the interaction between the beam and the piezoelectric strips is assumed. Due to the shortcomings of this interaction model, two equivalent models are developed. The analytic results obtained from the structural model are compared and validated with the results obtained from a numerical finite element software.

Değişken ortam koşullarına uygun olarak şekil değiştirmesi, türbin kanatlarının performansını arttırabilmektedir. Bunun yanı sıra, şekil kontrolü ile aktif titreşim sönümlemesi yapılarak kanatların ömürleri uzatılabilmektedir. Bu tezde, şekil değiştirebilen rüzgar türbin kanatlarını modellemek için ince cidarlı, açık ve dikdörtgen kesitli bir kirişin çözümsel modelin geliştirilmiştir. Şekil ve titreşim kontrolünün, kirişin yüzeyine yapıştırılan piezoelektrik şeritler vasıtası yapılacağı varsayılmıştır. Literatürde yer alan benzer çalışmalardan farklı olarak kirişin bağlaşık bükülgen-burulma kuramı dayalı elastik yapısal modeli enerji yöntemleri kullanılarak geliştirilmiştir. Kirişin yüzeyine yapıştırılan piezoelektrik şeritlerin elektromekanik davranışı ve şeritlerin kiriş ile etkileşimi için genel bir matematiksel model kullanılmıştır. Bu genel modelin eksikliklerini telafi edebilmek için iki farklı eşdeğer kiriş kesit modeli geliştirilmiştir. Matematiksel modeller üzerinden elde edilen çözümlemeler, sonlu elemanlar yazılımı ile sayısal olarak doğrulanmıştır.