Forming and fatigue in floating photovoltaic structures

Approaches based on continuum mechanics

Sammendrag

Dette arbeidet tek føre seg problemstillingar knytt til konstruksjonstekniske analysar av eit konsept for flytande solcellepanel utvikla av Sunlit Sea AS. Konseptet baserer seg på ein flåtekonstruksjon av metall som fungerer som ei kjølande bru mellom vatnet og solcellepanela. For at løysinga skal vere kommersielt levedyktig, må flåten fungere effektivt med omsyn til varmetransport og materialbruk. Difor utforskar selskapet kreative konstruksjonsløysingar. I dag består flåten av ein skallkonstruksjon, sett saman av to forma platekomponentar av aluminium. I alle tilfelle må konstruksjonen vere levedyktig gjennom den tiltenkte levetida. Sidan solcelleanlegga er tiltenkt bruk i mellom anna marine miljø, er utmattingsbrot grunna bølgelaster ei utfordring. Denne avhandlinga presenterer nye metodar og modellar for konstruksjonsanalyse av slike komponentar. Eit av dei viktigaste bidraga er ein delmodelleringsmetode for å innlemme ringverknadar frå formingsprosessen av metallplater. Plateforminga vert simulert i LS-DYNA for ein kritisk del av konstruksjonen for å kartlegge realistisk geometri, materialtynning og fordeling av restspenningar. Ein forenkla analysemodell som omfattar heile flåten vert brukt til å berekne randvilkåra for delmodellen. Desse vert så overført mellom modellane ved å interpolere langs ekvivalente randgrenser. Det vert vist korleis ein utmattingsmodell basert på kontinuumsmekanikk kan kombinerast med delmodellering av formingsprosessen for å estimere flåtekonstruksjonen si levetid under høgsykliske laster. Det vert avdekka at utmattingsmodellen, for svært sprø eller svært duktile materiale, gjev uriktige predikasjonar når skjerspenningar er dominerande. Dette resulterer i to ulike forslag til modifikasjonar av modellen. Fyrst vert det føreslått å ta i bruk ein Hershey-Hosford-funksjon for å skildre uthaldsflata i spenningsrommet. Dette løyser problemet for duktile materiale der forholdet mellom utmattingsgrensene for skjer- og normalspenning varierer frå 1/2 til 0.585. Deretter vert det føreslått å bruka ei vilkårsbunden konveks uthaldsflate som tek omsyn til Lode-vinkeleffekten. Med denne formuleringa gjev modellen korrekte utmattingsgrenser for skjer-dominerte spenningshøve, uavhengig av kva forholdet mellom utmattingsgrensene for skjer- og normalspenning er. Dette er interessant for vidare utforsking av flåtedesign basert på additiv tilverknad, då desse materiala viser seg å ha svært sprø utmattingseigenskapar.