Identifying Key Structural Parameters for PET Foam Cores in Wind Turbine Blades Using Sandwich Failure Criteria and Non-Linear Buckling Analysis
Translated title
Identifikation af centrale strukturelle parametre for PET-skumkerner i vindmøllevinger ved brug af sandwich-svigtkriterier og ikke-lineær bulningsanalyse
Authors
Christoffersen, Martin Kofod ; Tønnesen, Sander Fotland
Term
4. term
Education
Publication year
2025
Submitted on
2025-05-29
Pages
74
Abstract
Efterspørgslen efter vindmøllevinger har øget presset på balsatræ fra Amazonas, hvilket driver interessen for mere bæredygtige, genanvendelige kernealternativer som PET-skum. PET har dog markant lavere stivhed og styrke på tværs af materialets hovedretning end balsa, hvilket øger risikoen for instabilitet og kernesvigt i sandwichopbygninger og kræver et nyt designgrundlag. Denne afhandling undersøger, hvilke strukturelle parametre i PET-skums kerner der mest påvirker bukning og sandwichsvigt i vindmøllevinger, og leverer et designorienteret analyseværktøj til materialeudviklere. Der er udviklet en numerisk ramme, som kobler en ikke-lineær bukningsanalyse i ANSYS APDL med en Fortran-baseret efterbehandling, der vurderer centrale sandwich-svigtkriterier: facesheet-krusning, shear crimping og kernesvigt. Analysen kombinerer trinvise lineære bukningskontroller med indikatorer for lokal/stabil efter-bukning for at opfange ikke-lineær opførsel, og materialebeskrivelsen er baseret på FSDT. Metoden er verificeret mod en analytisk FSDT-implementering i MATLAB, Ansys Composite PrePost og AAU’s MUST-software på tværs af flere lagopbygninger og lasttilfælde med god overensstemmelse. Rammeværket anvendes i en univariat parametrisk undersøgelse af den fuldskala Gurit98m vinge under seks repræsentative laster (edgewise, flapwise og kombinerede), hvor kerne-tykkelse samt de transversale forskydningsmoduler G13 (langskibs) og G23 (omkreds) varieres. Resultaterne viser stor sikkerhed mod bukning og begrænset ikke-linearitet; G13 har størst indflydelse på bukning og sandwichsvigt, kerne-tykkelsen har moderat effekt, og G23 er i høj grad ubetydelig. Dette peger på, at en anisotrop forskydningsstivhed – særligt en forøgelse af G13 relativt til G23 – kan forbedre den strukturelle ydeevne og guide optimeret udvikling af PET-skum.
Rising demand for wind turbine blades has intensified the use of balsa from the Amazon, prompting a shift toward more sustainable, recyclable core materials such as PET foam. However, PET’s much lower transverse stiffness and strength than balsa increase the risk of instability and core failure in sandwich structures, calling for a rethinking of blade core design. This thesis investigates which structural parameters of PET foam cores most influence buckling and sandwich failure in blades and provides a design-oriented analysis framework for material developers. A numerical framework couples a non-linear buckling analysis in ANSYS APDL with a Fortran-based post-processor that evaluates key sandwich failure criteria—face sheet wrinkling, shear crimping, and core failure. The approach combines stepwise linear buckling checks with indicators of local/stable post-buckling to capture non-linear behavior, and uses FSDT-based constitutive modeling. The method is verified against an analytical FSDT implementation in MATLAB, Ansys Composite PrePost, and AAU’s MUST tool across multiple layups and load cases with strong agreement. The framework is then applied in a univariate parametric study of the full-scale Gurit98m blade under six representative load cases (edgewise, flapwise, and mixed), varying core thickness and the transverse shear moduli G13 (spanwise) and G23 (hoopwise). The blade showed a substantial margin to buckling with little detected non-linearity; G13 has the largest effect on buckling and sandwich failure margins, core thickness has a moderate effect, and G23 is largely inconsequential. These findings indicate that designing PET foams with anisotropic shear stiffness—specifically increasing G13 relative to G23—can enhance structural performance and guide optimized PET foam development.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents