[논문]대형 해상풍력발전용 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 동적 특성에 관한 연구

한정영; 홍철현; 정재훈; 문병영

doi:10.5293/kfma.2012.15.4.055

대형 해상풍력발전용 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 동적 특성에 관한 연구
Dynamic Characteristics Analysis of Filament-wound Composite Towers for Large Scale Offshore Wind-Turbine 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.15 no.4 = no.73, 2012년, pp.55 - 60

한정영 (부산대학교 기계설계전산화인력양성센터) , 홍철현 (부산대학교 기계설계전산화인력양성센터) , 정재훈 (부산대학교 조선해양공학과) , 문병영 (군산대학교 조선공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the buckling load of filament-wound composite towers for large scale wind-turbine using finite element method(FEM). To define material properties, we used both the effective property method and the stacking properties method. The effective properties method is to assume that composite consists of one ply. The stacking properties method is to assume that composite consists of some stacked plies. First, linear buckling analysis of the tower, filament-wounded with angles of [${\pm}30$] was carried out by two methods for composite material properties, the stacking method and the effective method. and FE analysis was performed for the composite towers according to filament winding angles of [${\pm}30$], [${\pm}45$], [${\pm}60$]. FE analysis results using the stacking properties of the composite were in good agreement with the results by the effective properties. The difference between FEM results by material properties methods was approximately 0~2.3% in buckling Analysis and approximately 0~0.6% in modal analysis. And above the angle of [${\pm}60$], there was a little change of buckling load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대형 풍력발전용 타워에 대한 기초 연구로서, 유한요소해석을 이용한 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 동적 특성 해석을 수행하였다. 즉, 복합재의 물성치 입력방법과 필라멘트 와인딩 각도에 따라 고유진동수 해석과 좌굴해석에 의한 동적 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 고유 진동수 해석을 수행하였다. 첫 번째 단계로, 필라멘트 와인딩 각도 [±30]인 복합재 타워의 고유 진동수 해석과 선형 좌굴 해석을 수행하기 위해 복합재 물성치 적용방법 중 등가 물성치와 적층 물성치 두 가지 물성치 입력방법을 적용하였다.

제안 방법

그 다음 단계로, 필라멘트 와인딩 각도 [±30], [±45], [±60]에 따른 고유 진동수 해석과 선형 좌굴 해석을 수행하여 그 결과를 분석하였다.
유한요소해석을 위한 변위 경계 조건은 타워 하단 부분의 노드(Node)들의 모든 병진 및 회전 자유도(UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ)를 구속하였으며, 타워 최상단의 중심노드에 단위 하중인 1[N]을 적용하였다. 그리고 RBE3 명령어를 사용하여 타워 최상단 셸의 노드에 하중이 고르게 적용되도록 하였다. 타워에 적용된 경계 조건을 Fig.
다양한 필라멘트 와인딩 각도에 따른 고유 진동수 해석을 분석하기 위해, 필라멘트 와인딩 각도가 [±30], [±45], [±60]일 때 고유 진동수 해석과 선형 좌굴 해석을 수행하였다.
복합재 물성치 적용 방법에 따른 고유 진동수 해석관 선형 좌굴 해석을 분석하기 위해, 등가 물성치 방법과 적층 물성치 방법을 적용하여 필라멘트 와인딩 각도가 [±30]인 타워의 고유 진동수 해석과 선형 좌굴 해석을 수행하였다.
필라멘트 와인딩 복합재의 등가 물성치 계산을 위해, 고전적층판 이론의 복합 적층판의 면강성과 공학적 상수를 적용 하였다.
본 연구에서는 기존 연구보고서⁽²⁾의 2MW급 대형 풍력발전기용 스틸 타워의 치수를 적용하여 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 고유진동수 해석과 선형 좌굴 해석을 수행하였다. 타워의 형상과 치수를 Fig.
유한요소해석을 위한 변위 경계 조건은 타워 하단 부분의 노드(Node)들의 모든 병진 및 회전 자유도(UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ)를 구속하였으며, 타워 최상단의 중심노드에 단위 하중인 1[N]을 적용하였다. 그리고 RBE3 명령어를 사용하여 타워 최상단 셸의 노드에 하중이 고르게 적용되도록 하였다.
복합재 물성치 적용 방법에 따른 고유 진동수 해석관 선형 좌굴 해석을 분석하기 위해, 등가 물성치 방법과 적층 물성치 방법을 적용하여 필라멘트 와인딩 각도가 [±30]인 타워의 고유 진동수 해석과 선형 좌굴 해석을 수행하였다. 적층 물성치 방법은 [-30]와 [+30] 각도의 적층 횟수를 2회, 4회, 8회 교대로 반복하여 물성치를 적용하였으며, 등가 물성치 방법과 비교하고자 하였다. 타워의 고유 진동수 해석과 좌굴 해석 Case를 Table 3에 각각 나타내었다.
본 연구에서는 대형 풍력발전용 타워에 대한 기초 연구로서, 유한요소해석을 이용한 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 동적 특성 해석을 수행하였다. 즉, 복합재의 물성치 입력방법과 필라멘트 와인딩 각도에 따라 고유진동수 해석과 좌굴해석에 의한 동적 특성을 조사하였다.
첫 번째 단계로, 필라멘트 와인딩 각도 [±30]인 복합재 타워의 고유 진동수 해석과 선형 좌굴 해석을 수행하기 위해 복합재 물성치 적용방법 중 등가 물성치와 적층 물성치 두 가지 물성치 입력방법을 적용하였다.
필라멘트 와인딩 복합재의 등가 물성치 계산을 위해, 고전적층판 이론의 복합 적층판의 면강성과 공학적 상수를 적용 하였다.

대상 데이터

Fig. 2(a)에는 원통형 셸을 나타내었으며, 요소의 타입은 복합재 적층 능력과 비선형성, 두께 방향 감소가 고려되는 셸(Shell)요소인 4 Node Finite Strain Shell인 Shell181을 사용하였으며, 총 요소의 개수는 11,041개이다. Fig.
2(b)에는 로터와 나셀의 무게를 부가하기 위해 타워의 상부에 질량 요소인 Mass21을 사용하였다. 그리고 기존의 상용 풍력발전기의 중에서 VESTAS사의 2 MW급인 V80 모델을 기준으로 3개의 로터는 37.2 ton, 나셀은 67.5 ton을 적용하였다.
유한요소해석을 수행하기 위해, 필라멘트 와인딩 공법에 많이 사용되고 있는 카본 에폭시(Cabon-Epoxy) 소재인 T700을 사용하였으며 물성치는 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

유한요소해석을 수행하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS 12 Classic⁽⁴⁾을 사용하였다. 타워의 유한요소모델을 Fig.

성능/효과

(3) 하나의 플라이는 거시적으로 균질하고, 선형탄성이며, 직교이방성의 성질을 가진다. 또한 초기에는 응력이 없는 상태이다.
그 결과, 적층 횟수가 많아질수록 실제 필라멘트 와인딩의 물성치를 더 잘 반영하는 것으로 나타났으며, 적층 각도에 따라 복합재의 강성이 달라짐으로서 고유진동수와 좌굴 하중이 변화함을 알 수 있었다. 따라서 이는 복합재 사용 시 설계자가 적층 각도를 변화시킴으로써, 더 쉽게 강성을 변화시킬 수 있기 때문에 유연한 설계가 가능하다는 것을 의미하며, 또한 매번 이론적 수계산에 의한 등가 물성치를 적용하는 것보다 직관적으로 쉽게 적용이 가능한 적층 물성치 입력 방법이 더 효율적임을 시사한다.
또한 등가 물성치 방법과 8번 적층한 적층 물성치 방법에 의한 고유 진동수 값은 거의 유사한 결과를 보인다. 따라서 유한요소해석에서 매번 이론적 수계산에 의한 등가 물성치를 적용하는 것보다 적층 물성치를 적용하는 것이 더 효율적이라고 판단된다. 고유진동수 해석과 같은 선형해석의 경우, 해석 시간에 크게 구애를 받지 않으므로 적층 물성치를 사용하면 셸의 두께 층별로 응력상태를 가시적으로 볼 수 있는 장점을 가진다.
그 결과, 적층 횟수가 많아질수록 실제 필라멘트 와인딩의 물성치를 더 잘 반영하는 것으로 나타났으며, 적층 각도에 따라 복합재의 강성이 달라짐으로서 고유진동수와 좌굴 하중이 변화함을 알 수 있었다. 따라서 이는 복합재 사용 시 설계자가 적층 각도를 변화시킴으로써, 더 쉽게 강성을 변화시킬 수 있기 때문에 유연한 설계가 가능하다는 것을 의미하며, 또한 매번 이론적 수계산에 의한 등가 물성치를 적용하는 것보다 직관적으로 쉽게 적용이 가능한 적층 물성치 입력 방법이 더 효율적임을 시사한다.
따라서 타워의 좌굴 설계 관점에서는, 실제 필라멘트 와인딩 공정이 가능한 각도인 [±20]∼[±40]부근에서 설계하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층 물성치 방법이란 무엇인가?	이러한 이유로 유한요소해석에서 몇 가지 가정을 전제로 복합재의 물성치를 입력하는 방법에는 등가 물성치를 사용하는 방법과 적층 물성치를 사용하는 방법으로 적용되고 있다. 먼저 등가 물성치 방법은 복합재료를 구성하는 섬유(Fiber) 및 기지(Matrix)의 강성이나 컴플라이언스(Compliance)를 통하여 하나의 플라이로 구성되어 있다고 가정하는 것이고, 적층 물성치 방법은 망상구조의 복합재가 섬유방향이 대칭인 플라이들이 적층된 적층판과 같다고 가정하여 플라이의 방향과 적층수를 고려하여 해석하는 방법이다.
	복합재의 물성치를 입력하는 방법이 등가 물성치와 적층 물성치를 사용하는 방법으로 적용되는 이유는?	필라멘트 와인딩 복합재는 대부분 망상 구조로 이루어져 있으며, 망상 구조는 모델링 및 유한요소해석의 수행을 어렵게 한다. 이러한 이유로 유한요소해석에서 몇 가지 가정을 전제로 복합재의 물성치를 입력하는 방법에는 등가 물성치를 사용하는 방법과 적층 물성치를 사용하는 방법으로 적용되고 있다.
	풍력발전 시스템에서 타워의 역할은 무엇인가?	풍력 발전시스템의 대형화에 따라, 높이 100 m 이상의 타워 시스템의 개발에 대한 필요성이 증대되고 있다. 풍력발전시스템에서 타워는 블레이드의 회전으로 발생하는 추력, 나셀 및 블레이드의 무게에 의한 자중 및 풍하중 등을 지지하는 역할과 함께 작업자 및 전력선의 이동 통로 등의 역할을 수행한다. 타워의 구조는 다른 기계 요소에 비해 간단하지만 전체 풍력발전기 비용의 20∼25 % 정도를 차지할 정도로 단가 비용이 매우 높기 때문에 가격 경쟁력이 있는 타워의 개발이 중요하다.

참고문헌 (7)

원종범, 이강수, 손충렬, 2006, "해상풍력발전용 Tower의 고유 진동 해석에 관한 연구," 한국소음진동공학회, 춘계학술대회발표논문집, pp. 1296-1301.
에너지.자원기술개발사업 최종보고서, 2007, "2MW PMSG평 풍력발전 시스템개발," 산업자원부.
Jones, R.M., 1975, "Mechanics of composite material," McGraw-Hill Book Company, Chapter 3.
ANSYS Inc., 2011, "ANSYS Workbench-Mechanical introduction 10.0."
MSC Sotfware, 2000, "MSC. PATRAN 2000 (2)-Reference Manual," Vol. 2.
Polyzios, D.J., Raftoyiannis, I.J., Ungkurapinan, N., 2009, "Static and dynamic characteristics of muli-cell jointed GFRP wind turbine towers," Composite structures, Vol. 90, No. 1, pp. 34-42.

상세보기
Uys, P.E., Farkas, J., Jarmai, K., Tonder, F. van, 2007, "Optimization of a steel tower for a wind turbine structure," Engineering structures, Vol. 29, No. 7, pp. 1337-1342.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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