유한요소 해석을 이용한 대용량 풍력터빈의 구조 안전성 평가

대용량 풍력터빈 설계 프로세스에서 주요 부품의 구조 안전성을 평가하기 위해 여러 시뮬레이션이 사용된다. 본 연구에서는 풍력 터빈에 대한 공인된 설계 지침에 명시되어 있는 유한요소 해석 절차를 토대로 유한요소 해석을 수행하였으며, 해석 결과를 비교하여 대용량 풍력터빈의 주요 부품인 허브 본체(Hub Body), 메인 샤프트(Main Shaft), 메인 프레임(Main Frame) 3개 부품에 대한 구조 안전성을 평가하였다. 해석프로그램은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS Mechanical 및 nCode DesignLife를 사용하였으며, 적용하중은 설계 대상 풍력 터빈의 하중 해석을 통해 얻어진 하중 정보를 적용하였다. 해석을 효율적으로 수행하기 위해 관심 부품 및 하중 전달에 필요한 부품 외 불필요한 모델은 단순화를 진행하였고, 설계 지침에 명시된 해석 기법을 적용하여 연결 조건 및 하중 전달을 구현하였다. 하중 해석에서 산출한 16개의 극한 하중 조건을 해석조건으로 적용하여 구조해석을 수행하였다. 피로해석에서는 하중 CASE 별로 분류되어 있는 6개 방향에 대한 시간 하중 정보를 사용하기 위해, 총 96개 피로하중 CASE에 대하여 1개의 Duty Cycle로 조합하였다. 재료의 피로 물성은 설계 지침에 명시된 S/N Curve 계산식을 이용하여 산출하였으며, 각 방향별(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)에 대한 단위 하중 구조해석을 수행한 결과를 피로해석에 적용하였다. 주요 부품별 극한 하중 구조해석 결과 최대 응력이 안전계수를 고려한 재료의 항복강도와 비교하여 1보다 적게 계산되면 안전한 제품 설계로 평가하였다. 주요 부품별 피로하중 피로해석 결과 누적 데미지가 1 미만으로 계산되면 피로 내구성을 확보한 제품설계로 평가하였다. 각 부품별 유한요소 해석을 통한 구조 안전성 평가를 불만족할 경우, 설계 기관에 해석 결과 및 설계 개선안을 제시하며, 설계와 유한요소 해석을 통한 평가 만족 결과가 나올 때까지 반복적으로 해석 프로세스를 수행하였다.