Technique des structures
Le procédé de conception des pales d’éoliennes commence par un compromis entre l’aérodynamique et l’efficacité structurale. La sélection des matériaux et le procédé de fabrication auront également un impact sur la finesse et l’aérodynamique idéale de la pale qu’il est possible de construire, et à quel coût. En conséquence, la technique des structures joue un rôle primordial pour rassembler toutes les disciplines de la conception et de la fabrication, et produire la solution optimale en termes de performance et de coût.
Le procédé de conception structurale d’une pale d’éolienne doit prendre en compte la forme aérodynamique, les propriétés des matériaux sous la fatigue et les charges extrêmes, et la méthode de fabrication.
Conception structurale – Le procédé
Flexion dans le sens transversal du profil
La flexion dans le sens transversal du profil due aux forces de portance est en général la charge dominante. Par ailleurs, elle est connue très précisément dès le début. La conception commence donc par évaluer les stratifiés pour les semelles de longeron et les âmes de cisaillement qui la supporteront. Comme précisé, il est nécessaire de trouver un compromis entre l’efficacité aérodynamique et l’efficacité structurelle, ces deux facteurs affectant fortement le coût de l’électricité produite. Pendant le procédé de conception, il est donc nécessaire de découvrir la répartition optimale de l’épaisseur en recherchant l’impact d’une variation de l’épaisseur, à la fois sur la production électrique et sur le poids structurel.
Poids de la pale
Il existe ensuite une boucle d’itération à suivre au sein du procédé de conception structurale car la charge de fatigue dans le sens de la traînée dépend du poids de la pale. Jusqu’à la conception de la pale, son poids n’est pas connu et doit donc être supposé. Dès que le poids est connu plus précisément, il peut être nécessaire de reconcevoir les stratifiés de la pale pour prendre en compte la nouvelle charge (dérivée du poids). À ce stade, la fatigue peut être traitée en abaissant simplement les contraintes autorisées du matériau. Des codes de conception comme ceux de Germanisher Lloyds fournissent des facteurs d’abattement par défaut conservateurs sur la résistance à utiliser si les données sur la fatigue ne sont pas disponibles, en général 5 pour la fibre de verre et 3 pour le carbone à des cycles de 10 millions.
Rigidité à la torsion
Les paramètres de flexion de base (dans le sens transversal du profil et dans le sens de la traînée) de la pale étant déterminés, la rigidité à la torsion et la résistance au flambage des coques peuvent être vérifiées. La racine peut être conçue pour supporter les charges du boulon entre la pale et le moyeu, et le joint adhésif peut être analysé pour faire descendre les contraintes dans l’adhésif à un niveau acceptable.
Analyse par éléments finis
Jusqu’à ce stade de la conception, l’analyse aura été réalisée en général à l’aide d’un tableur ou de toute autre méthode analytique simple, qui fournit uniquement une réponse approximative, mais permet des itérations rapides de la conception pour obtenir une solution optimale. Pour l’analyse finale, une réponse plus précise peut être obtenue à l’aide de l’Analyse des Éléments Finis (AEF). Elle fait appel à un modèle virtuel en trois dimensions de la pale qui est divisée en des milliers d’éléments carrés comme des carreaux. Étant donné que l’ordinateur peut modéliser avec précision le comportement de chaque élément et qu’il sait comment s’assemblent les éléments, il peut simuler la réponse structurelle de la pale complète en fonction de tous les scénarios de charge.
Conception structurale – Schéma de procédé
- Les propriétés des matériaux sont obtenues par des sections d’éprouvettes et réduites par des coefficients de sécurité partielle appropriés au matériau et à la méthode de fabrication.
- En prévision du profil aérodynamique préliminaire, les charges dans le sens transversal du profil dues à la portance aérodynamique sont utilisées pour calculer la conception préliminaire du stratifié, confirmant ainsi que la conception peut être réalisée pour travailler structurellement dans la forme aérodynamique choisie.
- Étant donné les stratifiés préliminaires, le poids de la pale peut être employé pour évaluer les charges de fatigue dans le sens de la traînée.
- La résistance au flambage et la rigidité à la torsion des coques des pales sont vérifiées.
- Les procédés de fabrication et la sélection des matériaux sont définis en prenant en compte le poids et le coût.
- D’autres itérations des charges / stratifiés convergent vers une conception finale qui est alors vérifiée par le biais d’une analyse par éléments finis pour la rigidité, la stabilité au flambage et la résistance, y compris la fatigue.
- Enfin, un prototype de pale est construit et testé, à la fois pour les charges extrêmes dans le sens transversal du profil et les charges de fatigue afin de valider la conception.