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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 소형풍력발전기용 블레이드의 구조적 성능 향상을 위한 구조해석을 통한 설계개선을 수행하였다. 먼저 실규모 구조시험 결과와의 비교를 통하여 구조해석 결과의 신뢰성을 검증하였고, 설계개선을 위하여 블레이드의 표피 및 스파를 몇 개의 영역으로 구분하여 각 영역의 두께에 따른 굽힘강도를 분석하였다.
- 해석을 통한 설계 목적은 블레이드의 굽힘강도는 증가시키면서, 중량은 감소시키는 것이다. 즉, 식(1)과 같이 중량당 허용하중을 최대화시키는 것을 설계의 목적으로 하였다. 이 때 허용하중이란 2.
가설 설정
- 섬유 강화 복합재료의 경우 적층순서, 적층두께, 적층각도에 따른 재료의 이방성을 고려하는 것이 일반적이나, 본 블레이드의 경우 촙트 스트랜드 매트와 여러 각도의 직조로빙을 사용하였으므로 면내 등방성(transversely isotropic) 재료로 가정하는 것이 타당하다. 그러나 본 연구에서는 해석의 편의를 위하여 재료를 등방성(isotropic) 재료로 가정하였다. 블레이드의 두께방향 치수가 다른 치수에 비하여 상당히 작으므로, 평면응력(plane stress) 상태라 볼 수 있고, 이 경우 면내 등방성 재료와 등방성 재료의 차이는 무시할 수 있으므로 등방성 재료라는 가정도 타당성을 가질 것이다.
- 그러나 본 연구에서는 해석의 편의를 위하여 재료를 등방성(isotropic) 재료로 가정하였다. 블레이드의 두께방향 치수가 다른 치수에 비하여 상당히 작으므로, 평면응력(plane stress) 상태라 볼 수 있고, 이 경우 면내 등방성 재료와 등방성 재료의 차이는 무시할 수 있으므로 등방성 재료라는 가정도 타당성을 가질 것이다. 해석에 사용된 재료의 기계적 물성은 Table 1에 나타내었다.
- 먼저 스킨두께가 블레이드의 굽힘 강도에 미치는 영향을 분석하였다. 스파 1~3은 없는 상태로 가정하고, region 1~3의 두께를 모두 동일한 두께로 적용하여, 스킨 두께의 변화량에 따른 중량당 허용 하중의 변화를 계산하였다. Table 3과 Fig.
- 따라서 뿌리부 보강을 위하여 Region 1, 2의 두께를 증가시키면서 이에 따른 중량당 허용하중의 변화를 계산하였다. 스파 1~3은 없는 상태로 가정하였고, Table 4와 같이 Region 3의 두께는 6mm로 고정한 상태에서 Region 2, 1의 두께를 등간격으로 증가시킨 세 경우에 대한 해석을 수행하였다. 각 경우에 대한 중량당 허용하중을 Fig.
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