Studi Numerik Defleksi Dan Distribusi Tegangan Pada Spar Dengan Struktur Boks Yang Terbuat Dari Material Komposit-Aplikasi Pada Sudu Turbin Angin

Ufaira, Putri Safina (2021) Studi Numerik Defleksi Dan Distribusi Tegangan Pada Spar Dengan Struktur Boks Yang Terbuat Dari Material Komposit-Aplikasi Pada Sudu Turbin Angin. Undergraduate thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 02111640000166_Undergraduate_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2023. Download (2MB) | Request a copy

Abstract

Kenaikan penggunaan tenaga angin sebagai penyuplai energi listrik tentunya perlu diimbangi dengan riset yang memadai. Salah satu kekurangan dari tenaga angin adalah angin yang tidak menentu di sepanjang waktu, maka untuk memaksimalkan tenaga tersebut dibuatlah sudu turbin angin yang semakin panjang untuk membuat swept area yang lebih besar. Beberapa parameter penting dalam pembuatan sudu turbin angin adalah pemilihan material dan juga desain struktur. Material yang digunakan harus memenuhi kriteria strength-to-weight ratio yang baik seperti material komposit. Pada studi ini akan diteliti respon material komposit CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) dan GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) yang dimodelkan sebagai struktur internal dalam sudu turbin angin yaitu bentuk boks spar. Untuk mengetahui apakah material tersebut cocok untuk digunakan dalam sudu turbin angin, maka diteliti respon defleksi dan juga distribusi tegangan yang terjadi pada komponen boks spar.
Model spar yang diteliti akan menggunakan dimensi dan beban dari turbin angin riset AVATAR. dimana spar dimodelkan sebagai cantilever beam berbentuk boks dengan panjang 102.88m. Akan dilakukan penyederhanaan model yaitu lebar dari
spar dan web yang dibuat konstan sepanjang sudu dan bagian airfoil diabaikan. Hal ini dilakukan karena dianggap bahwa performa struktur internal sudah menjadi representatif keseluruhan sudu turbin angin. Studi akan dilakukan dengan pendekatan numerik yaitu metode elemen hingga pada perangkat lunak ABAQUS dimana akan dianalisis output berupa defleksi dan juga distribusi tegangan ke arah ketebalan ply komposit pada bagian spar cap dan shear web. Pada penelitian ini akan digunakan elemen continuum shell S8R dan ukuran mesh ditentukan dengan mesh convergence study. Studi ini akan meneliti respon defleksi dan distribusi tegangan dari spar yang terdiri dari material unidirectional ply Sglass/Epoksi, TC35/Epoksi, dan M55/Epoksi yang disusun secara unidirectional.
Defleksi pada sudu turbin angin yang dimodelkan sebagai boks spar dengan material Sglass/Epoksi, TC35/Epoksi, dan M55/Epoksi memiliki nilai defleksi tip secara berurutan yaitu; 2.61m, 2.42m, dan 4.17m. Hasil tersebut telah dibandingkan dimana hasil yang didapatkan yaitu nilai defleksi material M55/Epoksi telah mendekati dengan riset AVATAR yaitu dengan selisih 0.275 meter. Tegangan Von Mises Equivalent pada model boks spar dengan material komposit dapat menjadi pertimbagan untuk penggunaan material dimana material dengan nilai tegangan tertinggi secara berurutan yaitu M55, TC35, dan Sglass. Trend yang berada pada boks spar adalah tegangan bertambah besar disepanjang ketebalan dari bagian dalam menuju bagian luar. Daerah yang memiliki tegangan paling tinggi adalah pada bagian sudut antara shear web dan spar caps dimana kedua komponen tersebut bertumpu dan transfer tegangan terjadi.
==================================================================================================

As the demand for wind power generation rises, the supporting research must also be adequate. One of the few drawbacks of wind power is that the wind is not always constant at all times, so to maximize the power output, it is needed to give the wind turbine blade more length in order to achieve bigger swept area. Few important parameters on designing a wind turbine blade are material assignment and the structure itself. Materials used in wind turbine blade needs to have good strength-to-weight ratio, where in this study composite materials such as CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer) and GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) applied in a box spar are studied. To know whether the materials are applicable on wind turbine blade, the response on deflection and stress distribution are analyzed.
Models and loading used are based on AVATAR research where simplifications for this study are made. The box spar is modeled as a cantilever beam with the length of 102.88m whereas the spar caps and shear webs are constant throughout the length and no airfoils are modeled. It is assumed that the performance of internal structure of wind turbine already represents the whole wind turbine blade. Numerical study is done by using finite element method in ABAQUS by modeling continuum shell element. Unidirectional ply such as Sglass/Epoxy, TC35/Epoxy,
and M55/Epoxy are stacked in unidirection in every spar caps and shear webs.
The response of deflection then resulted in M55/Epoxy having the greatest deflection and TC35/Epoxy having the smallest deflection. The results are then compared to the result of AVATAR studies with the closest deflection difference of 0.275 meters between AVATAR_v4 and M55/Epoxy. Von Mises stress are evaluated at the ply thickness in shear webs and spar caps, resulting in M55/Epoxy having the greatest maximum von mises stress and Sglass having the smallest maximum von mises stress. The trend of maximum von mises stress in a box spar is that the stress at the outer side is always larger compared to the inner side and the area with the highest stress is located at the part where spar caps and shear webs converged.

Item Type:	Thesis (Undergraduate)
Subjects:	T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA418.9 Composite materials. Laminated materials. T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ828 Wind turbines
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Mechanical Engineering > 21201-(S1) Undergraduate Thesis
Depositing User:	Putri Safina Ufaira
Date Deposited:	04 Sep 2021 09:55
Last Modified:	04 Sep 2021 09:55
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/91663

Actions (login required)

View Item