The reliability of modern gas turbine engines is largely due to careful damage tolerant design a method of structural design based on the assumption that flaws (cracks) exist in any structure and will continue to grow with usage. With proper monitoring, largely in the form of periodic inspections at conservative intervals reliability and safety is maintained. These methods while reliable can lead to the early retirement of some components and unforeseen failure if design assumptions fail to reflect reality. With improvements to sensor and computing technology there is a growing interest in a system that could continuously monitor the health of structural aircraft as well as forecast future damage accumulation in real-time. Through the use of two-dimensional and three-dimensional numerical modeling the initial goals and findings for this continued work include: (a) establishing measurable parameters directly linked to the health of the blade and (b) the feasibility of detecting accumulated damage to the structural material and thermal barrier coating as well as the onset of damage causing structural failure.

The predictable nature of the tides offers a regular, reliable source of renewable energy that can be harnessed using tidal stream turbines (TSTs). The UK's practically extractable tidal stream energy resource has the potential to supply around 7 % of the country's annual electricity demand. As of 2016, the world's first commercial scale arrays have been deployed around the UK and France. The harsh nature of the marine operating environment poses a number of engineering challenges, where the optimal turbine design solution remains under investigation. In this thesis, a numerical model is developed to assess the power production and hydrodynamic behaviour of horizontal axis tidal turbines. The developed model builds upon well established and computationally efficient Blade Element Momentum Theory (BEMT) method for modern three-bladed wind turbines. The main novel contribution of this thesis is extending the application to an alternative design of a ducted, high solidity and open centre TST. A validation study using measurements from multiple different scale model experimental tank tests has proven the applicability of the model and suitability of the imposed correction factors. The analytical modifications to account for ducted flow were subsequently indirectly verified, where predictions of turbine power and axial thrust forces under optimal operating speeds were within 2 % of those using more advanced computational fluid dynamics (CFD) methods. This thesis presents a commercial application case of two turbines designed by OpenHydro, examining the BEMT performance with a sophisticated blade resolved CFD study. A comparison of results finds that the model is capable of predicting the average peak power to within 12 %, however it under predicts thrust levels by an average of 35 %. This study concludes that the model is applicable to ducted turbine configurations, but is limited in capturing the complex flow interactions towards the open centre, which requires further investigation. The computational efficiency of the newly developed model allowed a structural analysis of the composite blades, thus demonstrating it is suitable to effectively evaluate engineering applications. Stresses are seen to be dominated by flap-wise bending moments, which peak at the mid-length of the blade. This tool will further enable EDF to perform third party assessments of the different turbine designs, to aid decision making for future projects.

The reliability of modern gas turbine engines is largely due to careful damage tolerant design a method of structural design based on the assumption that flaws (cracks) exist in any structure and will continue to grow with usage. With proper monitoring, largely in the form of periodic inspections at conservative intervals reliability and safety is maintained. These methods while reliable can lead to the early retirement of some components and unforeseen failure if design assumptions fail to reflect reality. With improvements to sensor and computing technology there is a growing interest in a system that could continuously monitor the health of structural aircraft as well as forecast future damage accumulation in real-time. Through the use of two-dimensional and three-dimensional numerical modeling the initial goals and findings for this continued work include: (a) establishing measurable parameters directly linked to the health of the blade and (b) the feasibility of detecting accumulated damage to the structural material and thermal barrier coating as well as the onset of damage causing structural failure.

In recent years, machine learning applications have gained great attention in the wind power industry. Among these, artificial neural networks have been utilized to predict the fatigue loads of wind turbine components such as rotor blades. However, the limited number of contributions and differences in the used databases give rise to several questions which this study has aimed to answer. Therefore, in this study, 5-min SCADA data from the Lillgrund wind farm has been used to train two feed-forward neural networks to predict the fatigue loads at the blade root in flapwise and edgewise directions in the shape of damage equivalent loads.The contribution of different features to the model’s performance is evaluated. In the absence of met mast measurements, mesoscale NEWA data are utilized to present the free flow condition. Also, the effect of wake condition on the model’s accuracy is examined. Besides, the generalization ability of the model trained on data points from one or multiple turbines on other turbines within the farm is investigated. The results show that the best accuracy was achieved for a model with 34 features, 5 hidden layers with 100 neurons in each hidden layer for the flapwise direction. For the edgewise direction, the best model has 54 features, 6 hidden layers, and 125 neurons in each hidden layer.For a model trained and tested on the same turbine, mean absolute percentage errors (MAPE) of 0.78% and 9.31% are achieved for the flapwise and edgewise directions, respectively. The seen difference is argued to be a result of not having enough data points throughout the range of edgewise moments. The use of NEWA data has been shown to improve the model’s accuracy by 10% for MAPE values, relatively. Training the model under different wake conditions did not improve the model showing that the wake effects are captured through the input features to some extent. Generalization of the model trained on data points from one turbine resulted in poor results in the flapwise direction. It was shown that using data points from multiple turbines can improve the model’s accuracy to predict loading on other turbines.

The aim of the current dissertation is the development of finite element models capable of predicting the damping and the damped structural dynamic response of laminated composite blades and beams. The present thesis is divided into two main parts, of which the first one studies the material coupling effect on the static and modal characteristics of composite structures. New damping coupling terms are formulated and incorporated into a linear beam finite element to better capture the composite material and structural coupling effects. The second part describes the theoretical framework for predicting the nonlinear damping and damped vibration of laminated composite structures due to large in-plane tensile and compressive forces. A nonlinear beam finite element for composite strips is developed capable of capturing the effects of geometric nonlinearity on the damping of composite laminates. The damping mechanics consider a strain based Kelvin viscoelastic model and Green-Lagrange nonlinear strain expressions, which introduce geometric nonlinearity into the formulation. Incorporation of first-order shear deformation theory into the equations of motion provides the linear and new nonlinear cross-section stiffness and damping terms. Within each element, the stain field is approximated by linear interpolation shape functions. An incremental-iterative methodology is formulated into the finite element solver, based on the Newton-Raphson technique in order to obtain the system solution at each iteration, till the final convergence is achieved. For the sake of completeness, a series of experimental measurements were carried out for the composite strip, subject to tensile and buckling loads. Correlations with theoretical predictions gave credence to the ability of the nonlinear finite element to predict damping of composite structures undergoing large displacements and rotations in the nonlinear regime. The finite element was further extended to include the nonlinear analysis of large-scale hollow composite structures. New first- and second-order stiffness and damping terms were developed and incorporated into an updated nonlinear beam finite element, capable of capturing the effect of rotational stresses on the static and modal characteristics of composite beams and blades. / Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τίτλο: "Ανάπτυξη Μη-Γραμμικού Προτύπου Πεπερασμένου Στοιχείου με Απόσβεση για τη Στατική και Δυναμική Ανάλυση Πτερυγίων Ανεμογεννητριών" είναι η ανάπτυξη προτύπων πεπερασμένων στοιχείων με απόσβεση ικανών να προβλέπουν τη στατική και δυναμική απόκριση δοκών και πτερυγίων από σύνθετα υλικά. Η εργασία επικεντρώνεται σε δύο κύριες κατευθύνσεις, που αφορούν τόσο την εισαγωγή νέων όρων στο μητρώο απόσβεσης ενός πεπερασμένου στοιχείου δοκού, όσο και την ανάπτυξη ενός μη-γραμμικού κώδικα πεπερασμένου στοιχείου για τη μελέτη της μη-γραμμικής συμπεριφοράς δοκών και πτερυγίων από σύνθετα υλικά που υπόκεινται σε μεγάλες μετατοπίσεις και περιστροφές. Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετάται η επίδραση της σύζευξης, λόγω της ανισοτροπίας του σύνθετου υλικού, τόσο στη στατική απόκριση όσο και στα μορφικά χαρακτηριστικά κατασκευών από σύνθετα υλικά, διαφόρων διατομών και γεωμετριών. Διατυπώνονται νέοι όροι απόσβεσης που εκφράζουν την εν λόγω σύζευξη και οι οποίοι καθιστούν το γραμμικό πεπερασμένο στοιχείο δοκού πιο πλήρες στην επίλυση προβλημάτων όπου η σύζευξη υλικού επηρεάζει τη συμπεριφορά της κατασκευής. Στο δεύτερο και πλέον σημαντικό μέρος της παρούσας διατριβής αρχικά περιγράφεται το θεωρητικό υπόβαθρο για την πρόβλεψη της μη-γραμμικής δυναμικής απόσβεσης λεπτών δοκών κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά οι οποίες υπόκεινται σε μεγάλα συν-επίπεδα εφελκυστικά φορτία ή φορτία λυγισμού. Αναπτύσσεται νέο πεπερασμένο στοιχείο ικανό να περιγράψει την επίδραση της γεωμετρικής μη-γραμμικότητας στην απόσβεση και τη δυσκαμψία της δοκού. Εφαλτήριο για την ανάπτυξη αυτής της μεθοδολογίας ήταν η ανάγκη της πρόβλεψης της δυναμικής απόσβεσης σε κατασκευές από σύνθετα υλικά με πιο πολύπλοκη και εύκαμπτη γεωμετρία, όπως αυτή των πτερυγίων ανεμογεννητριών. Η ανάπτυξη του μη-γραμμικού πεπερασμένου στοιχείου ξεκινά από το επίπεδο της στρώσης του υλικού, όπου διατυπώνονται οι καταστατικές εξισώσεις θεωρώντας το ιξωδοελαστικό πρότυπο του Kelvin για το υλικό της κατασκευής. Στη συνέχεια εισάγονται οι Green-Lagrange εξισώσεις συμβιβαστού οι οποίες εκφράζουν τη γεωμετρική μη-γραμμικότητα καθώς και οι εξισώσεις κίνησης. Σε επίπεδο διατομής, οι κινηματικές υποθέσεις βασίζονται στις παραδοχές της διατμητικής θεωρίας δοκού πρώτης τάξης. Η πρόβλεψη της μη-γραμμικής απόκρισης μιας κατασκευής από σύνθετα υλικά επιτυγχάνεται μέσω της προσομοίωσης της με έναν επαρκή αριθμό πεπερασμένων στοιχείων. Στο εσωτερικό κάθε στοιχείου οι παραμορφώσεις προσεγγίζονται από γραμμικές συναρτήσεις μορφής, οι οποίες οδηγούν στη μητρωική μορφή των μη-γραμμικών εξισώσεων του συστήματος. Λόγω του γεγονότος ότι οι εξισώσεις αυτές εξαρτώνται από τη λύση, δεν μπορούν να λυθούν απευθείας κάτι που καθιστά αναγκαία τη χρήση μιας σταδιακής-επαναληπτικής τεχνικής. Στην παρούσα διατριβή εισάγεται στο λύτη του μη-γραμμικού κώδικα η Newton-Raphson τεχνική. Το επόμενο βήμα αφορά τη σύνθεση των ολικών δομικών μητρών του συστήματος και την εφαρμογή των συνοριακών συνθηκών. Σε κάθε επανάληψη λαμβάνει χώρα η επίλυση των γραμμικοποιημένων εξισώσεων και ο υπολογισμός των πραγματικών και εφαπτομενικών μη-γραμμικών μητρώων δυσκαμψίας και απόσβεσης της κατασκευής, τα οποία τελικώς επιλύονται με τη μέθοδο της αριθμητικής ολοκλήρωσης κατά Gauss. Το πεπερασμένο στοιχείο δοκού εξελίχθηκε περαιτέρω ώστε να συμπεριλάβει τη μη-γραμμική ανάλυση μεγάλων λεπτότοιχων κατασκευών από σύνθετα υλικά, όπως αυτά των πτερυγίων ελικοπτέρων και ανεμογεννητριών. Η εισαγωγή της πλήρους έκφρασης της αξονικής μη-γραμμικής Green-Lagrange παραμόρφωσης στη διατύπωση των κινηματικών υποθέσεων οδηγεί στην πλήρη έκφραση των πραγματικών και εφαπτομενικών δομικών μητρών της κατασκευής. Οι νέοι μη-γραμμικοί όροι δυσκαμψίας και απόσβεσης πρώτης και δεύτερης τάξης μπορούν να περιγράψουν την επίδραση των εσωτερικών εφελκυστικών τάσεων στα μορφικά χαρακτηριστικά δοκών και πτερυγίων. Το μη-γραμμικό πεπερασμένο στοιχείο είναι ικανό να χαρακτηρίσει τη στατική συμπεριφορά και την αποσβενυμένη ταλάντωση δοκών από σύνθετα υλικά. Η επαλήθευση του μη-γραμμικού κώδικα πραγματοποιήθηκε μέσω μιας σειράς πειραματικών μετρήσεων που αφορούσαν τη μέτρηση της φυσικής συχνότητας και της μορφικής απόσβεσης σε λεπτές δοκούς από σύνθετα υλικά τόσο σε εφελκυσμό όσο και σε συνθήκες λυγισμού. Τα πειραματικά αποτελέσματα έρχονται σε πολύ καλή συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις του κώδικα κάτι που εξασφαλίζει την αξιοπιστία του μη-γραμμικού πεπερασμένου στοιχείου.