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Compositi polimerici strutturali per l’ingegneria
industriale: realtà e sfide tecnologiche
Alessandro Pegoretti
Università di Trento,Università di Trento, Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industrialivia via Mesiano Mesiano 77, 38050 Trento - ITALY 77, 38050 Trento - ITALY
A.Pegoretti COMPOSITI STRUTTURALI PER L’INGEGNERIA INDUSTRIALE
IntroduzioneLe fibreLe matriciI compositiLe applicazioni
- sett. aeronautico- sett. aerospaziale- turbine eoliche
Schema della lezione
A.Pegoretti COMPOSITI STRUTTURALI PER L’INGEGNERIA INDUSTRIALE
Introduzione
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Definizione di materiale composito
In un materiale composito si possono generalmente riconoscere una fasecontinua (matrice) e una o più fasi disperse (in forma di fibre o particelle).Le superfici di contatto fra le varie fasi costituenti il composito sono detteinterfacce.In molti casi, è stata verificata anche la presenza di una sottile ma distintainterfase.
o particella
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La microstruttura dei materiali compositi particellari
Epossidica - particelle di vetro
T.Kawaguchi and R.A. Pearson, Polymer, 44, 4239 (2003)
Gomma - particelle di carbon black
Goodyear Tire & Rubber Companyin Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: unaIntroduzione, Edises Napoli, 2008, p 582.
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La microstruttura dei materiali compositi fibrosi
S.Incardona et al., Comp.Sci.&Techn. 47, 43 (1993)
J Polymer® - fibre di carbonio
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Classificazione dei materiali compositi
I materiali compositi a matrice polimerica vengono solitamente classificati inbase alla tipologia (forma ed orientamento) della fase discontinua secondo ilseguente schema:
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Classificazione dei materiali compositi
lamine
Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites. Elsevier, Oxford UK, 2004.
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Classificazione dei materiali compositi
Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites.Elsevier, Oxford UK, 2004.
Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: una Introduzione,Edises Napoli, 2008,.
laminati
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Classificazione dei materiali compositi
Laminati epossidica - fibre di carbonio
Fotografie al microscopio elettronicodi un laminato epossidica-carbonio
Nicoli F. Pogettazione, fabbricazione e caratterizzazione di un fissatore esterno innovativo in materiale composito. Tesi di Laureain Ingegneria dei Materiali. Università degli Studi di Trento AA 2000-2001
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Classificazione dei materiali compositi
Pannelli sandwich
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Le fibre
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Le fibre
Es: fibre di carbonio
matasse tessuti
fibre
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Le fibre
Proprietà meccaniche delle fibre
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Le fibre
Proprietà meccaniche delle fibre
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Le matrici
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Le matrici
Callister WD, Scienza e Ingegneria dei Materiali: una Introduzione, Edises Napoli, 2008,.
Polimeri lineari, ramificati o reticolati
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Le matrici
Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites. Elsevier, Oxford UK, 2004.
Polimeri termoplastici o termoindurenti
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Le matrici
Le matrici termoindurenti
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Le matrici
Le matrici termoindurenti
E [GPa] b [MPa] deformazione
[ %]
Energia rottura
[kJ/m3]
Resina 0 cicli 3.0±0.1 60±5 2.130±0.085 663±21
Resina 5 cicli 2.8±0.3 32±5 1.124±0.170 183±51
Caratteristiche meccaniche resina MC102/WH102/IG847, normativa UNI EN ISO 527-4,
prove a secco e dopo 5 cicli di sterilizzazione in autoclave a 120°C.
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Le matrici
0.15 - 0.6
35 - 100
2.0 - 4.4
70 - 150
1.1 - 1.4
poliestere insature
0.08 - 0.15Assorbimento di acqua (% in 24 h)
55 - 130Resistenza (MPa)
2.8 - 4.1Modulo elastico (GPa)
60 - 230Temperatura di transizione vetrosa (°C)
1.2 - 1.3Density (g/cm3)
epossidicheProprietà
Le matrici termoindurenti più utilizzate sono leresine poliestere insature e quelle epossidiche
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I compositi
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I compositi
Campbell FC. Manufacturing Processes for Advanced Composites. Elsevier, Oxford UK, 2004.
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I compositi
grafite-epossidicadirezione longitudinale
Alcune esempi:
vetro-epossidicadirezione longitudinale
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I compositi
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I compositi
Materiale Modulo(GPa)
Resistenza(MPa)
Densità(g/cm3)
Carbonio-eposs.T300 (Vf=0.60)
148 1300 1.50
Carbonio-eposs. IM6(Vf=0.66)
206 3500 1.60
Aramidica-eposs.Kevlar49 (Vf=0.60)
76 1400 1.46
Vetro-epossidicaEglass (Vf=0.45)
39 1100 1.80
AlluminioLega 7075-T6
71 572 2.80
Acciaio - 1020trafilato
207 420 7.85
Acciaio - AISI4340normalizzato
207 1280 7.85
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I compositi
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I compositi
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I compositi
In molte applicazioni strutturali i materiali sono soggetti a sforzi ciclici (fatica)prolungati nel tempo:
�
!max , !min
=max. and min. stresses,
respectively
"! =!max -!min
= stress range
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I compositi
La resistenza a fatica dei compositi con fibre di carbonio, Kevlar o boro èsuperiore a quella di molti materiali per applicazioni ingegneristiche
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Le applicazioni
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Applicazioni
Principali settori applicativi:- aereonautico- aereospaziale- articoli sportivi- costruzioni civili- biomateriali- militare- produzione di energia (eolica)- trasporto terrestre- trasporto marino
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Applicazioni
Settore aeronautico
Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003
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Applicazioni: settore aeronautico
Attualmente il numero di nuovi aerei commerciali che vengono introdotti sulmercato - a livello mondiale, sia per trasporto passeggeri che per trasporto merci -si aggira su 1100 unità all'anno (questo dato e quelli che seguono non tengonoin considerazione i piccoli aerei, prevalentemente per uso privato).
dati tratti da TecnoPlast N.6 - SETTEMBRE 2007
Due sono i gruppi più importanti - a livello mondiale - cheproducono tali velivoli:il consorzio europeo Airbus e la statunitense Boeing.
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Applicazioni: settore aeronautico
Airbus
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Applicazioni: settore aeronautico
Consorzio Airbus
- Airbus Deutschland
- Airbus France
- Airbus UK
- Airbus Spagna
- circa 58000 addetti distribuiti in 16 siti produttivieuropei e 4 uffici regionali (in Cina, Emirati ArabiUniti, Giappone e Usa)
- il fatturato 2006 ha toccato i 26 miliardi di euro
- Il portafoglio ordini attuale ammonta a circa 2500velivoli, il che equivale alla completa utilizzazionedegli impianti per i prossimi 5 anni.
dati tratti da TecnoPlast N.6 - SETTEMBRE 2007
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Applicazioni: settore aeronautico
dati tratti da TecnoPlast N.6 - SETTEMBRE 2007
Introduzione dei compositi strutturali negli aerei Airbus:
- 1982: spoiler, la parte mobile del timone, i freni aerodinamici del A310-200;
- 1985: piani stabilizzatori per primi (A310-300), seguiti dai flap e dai timoni
orizzontali (A320);
- 2002: serbatoi di combustibile sistemati nei piani di coda e il cono di pressione
posteriore del A340-600;
- oggi: massiccia introduzione dei compositi con l'aereo civile A380 e con quello
da trasporto militare A400M;
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Applicazioni: settore aeronautico
dati tratti da TecnoPlast N.6 - SETTEMBRE 2007
Percentuali di impiego dei compositi strutturali negli aerei Airbus:
- 8% del modello A300 dei primi Anni Settanta
- 10% dell'A320 del 1987
- 11% del A340-600 del 2001
- 25% nell’attuale A380
- 30% per l’ l'aereo da trasporto militare A400M in servizio nel 2009
- 52% modello A350-900 XWB, previsto in servizio nel 2012
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Applicazioni: settore aeronautico
A380 è l'aereo commerciale più innovativo prodotto da Airbus, dotato di due pianiper il trasporto passeggeri (capacità di 555 persone autonomia 15000 km), il cuiprimo esemplare è entrato in servizio nel ottobre 2007 per Singapore Airlines
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Applicazioni: settore aeronautico
Airbus A380
cabin cross section, showingeconomy class seating
Number built: 14 as of April 2008 - Program cost: 12 billion € - Unit cost: 319.2 million $
The first completed A380 at the "A380 Reveal" eventin Toulouse, France.
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Applicazioni: settore aeronautico
A380 è costituito per circa il 25% in peso da compositi strutturali per untotale di circa 30 ton, utilizzati per parti di ali, sezioni di fusoliera,impennaggio di coda e porte-
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Applicazioni: settore aeronautico
Nella realizzazione dell’A380 sono utilizzati vari materiali compositi termoindurentirinforzati con fibre di carbonio, vetro e quarzo, compositi a matrice termoplastica(per i bordi di uscita delle ali) e di GLARE (fiberglass reinforced aluminum)
Struttura del GLARE
A380's vertical tail plane(VTP)
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Applicazioni: settore aeronautico
A400M - military transport & tanker
first flight in 2008 and first delivery in 2009 - Unit cost €100 million
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Applicazioni: settore aeronautico
A350-900 XWB - first flight in 2012 and first delivery in 2013
The A350 will be the first Airbus with fuselage and wing structures made primarilyof carbon fiber reinforced plastic.
Airbus is already promising that fuel consumption for the A350 XWB will be six percent lowerthan on the Boeing 787
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Applicazioni: settore aeronautico
XWB vuol significare "extra wide body"; infatti, con un diametro di fusoliera diquasi 6 metri gratificherà di un comfort eccezionale i passeggeri.
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Applicazioni: settore aeronautico
dati tratti da TecnoPlast N.6 - SETTEMBRE 2007
Tale velivolo sarà costituito per più del 50% in peso da compositi strutturali
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner (i primi esemplari entreranno in servizio a fine 2009)
Boeing 787 Dreamliner Rollout - Seattle, July 8th 2007
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
Costo per unità787-3: 146–152 million US$787-8: 157–167 million US$787-9: 189–200 million US$
Velocità di crociera: 0.85 mach (903 km/h)
Capacità di carico e autonomia787-3: 24 ton (290 - 330 posti) fino a 5650 km787-8: 29 ton (210 - 250 posti) fino a 15200 km787-9: 32 ton (250 - 290 posti) fino a 15750 km
Il consumo di carburante sarà del 20% in meno rispetto agli attuali aerei della stessa categoria
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
Material breakout on 787
* Composites = 50% * Aluminum = 20% * Titanium = 15% * Steel = 10% * Other = 5%
Boeing ha annunciato che ben il 50% inpeso delle strutture primarie dell’aereo saràrealizzato con compositi strutturali,comprese le ali e la fusoliera.
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
cockpit (cabina di pilotaggio)
gli interni
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
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Applicazioni: settore aeronauticoBoeing 787 Dreamliner
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
Large 787 assemblies will be transported to thefinal assembly site on board modified 747-400s.This transport plan will result in saving of 20 to 40percent over traditional shipping methods andreduce the amount of time it takes the large partsto arrive at the final assembly site from as many as30 days to only one day.
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Applicazioni: settore aeronautico
Boeing 787 Dreamliner
Development Work on Boeing 787 Noses Ahead (Wichita, Kan.)
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Applicazioni: settore aeronautico
I materiali compositi sono largamente impiegati anche per la produzione dicomponenti di elicotteri
AW129 “Mangusta”
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Applicazioni: settore aeronautico
Utilizzo dei materiali compositi negli elicotteri:
Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003
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Applicazioni: settore aeronautico
Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003
le pale (blades)
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Applicazioni: settore aeronautico
Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003
il mozzo rotore (yoke rotor)
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Applicazioni: settore aeronautico
Quali sono i vantaggi offerti dai materiali compositi strutturali in aeronautica ?
1) L'importanza dell'uso dei compositi a base polimerica in aeronautica èdirettamente correlata alla riduzione di peso che essi producono quandoentrano in sostituzione dei metalli nella produzione di componenti strutturalidegli aerei. Riduzione di peso significa minor consumo di carburante.
2) Un'ulteriore motivazione gioca a favore dei compositi: confrontando icosti di produzione di un componente rispetto alla costruzione a basemetallica - allo stato attuale della pratica - si può ottenere una riduzionefino al 10% del costo finale.
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Applicazioni
Main data Ariane 5 ECAHeight up to 52 mDiameter up to 5.4 mPayload mass* 9.6 tonnes
* into Geostationary Transfer Orbit (GTO)
Settore aerospaziale
La riduzione di peso di missili di lancio, space shuttles e satelliti è cruciale:ogni chilogrammo in meno sul vettore di lancio del satellite Ariane (ESA) consente unrisparmio di circa 30000 US $ !!!
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Applicazioni: settore aerospaziale
Gas storage pressure vessel for launch vehicles or satellites
ConfigurationThin walled spinformed titanium linerwith composite overwrap
Technical data180 litre volume, 700 mm diameter,40 kg empy mass
Performance300 bar MEOP, 600 bar burstpressure
Test unitPressure cycled up to prrof pressure(50 cycles total) for fatigue testing
MT Aerospace
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Applicazioni: settore aerospaziale
Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003
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Applicazioni: settore aerospaziale
Gay D, Hoa SV, Tsai SW. Composite Materials. Design and Applications. CRC Press, Boca Raton, 2003
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Applicazioni
Turbine eoliche
Size of the E 112 rotor blade in comparison to an Airbus 340 (photo courtesy A&R Rotec).The wingspan of Airbus 340 is about 60 m.
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Turbine eoliche
L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento sotto forma di energia cinetica,la quale può essere sfruttata per la generazione di corrente elettrica. Essa èrinnovabile in quanto la sua fonte (il vento) è inesauribile e ha un impattoambientale molto limitato rispetto ai combustibii fossili.
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Turbine eoliche
onshore
Source: EWEA March 2008
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Turbine eoliche
Source: EWEA March 2008
onshore
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Turbine eoliche
Source: EWEA March 2008
onshore
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Turbine eoliche
Source: EWEA March 2008
onshore
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Turbine eoliche
Source: EWEA March 2008
Wind power continued to be one of the most popular electricity generating technologies inthe EU in 2007, making up 30% of total new power installations.Since 2000, the EU has installed 155,000 MW of new power capacity percentualmente cosìsuddivise:
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Turbine eoliche
Source: EWEA March 2008
In Spain, a total of 35,000 jobs related to wind have been created, and 80,000 in Germany.
There are 21,600 jobs of this nature in Denmark. EWEA uses a tentative figure of 150,000
wind energy-related jobs in the EU altogether. According to the EC-funded MITRE project
report, this could more than double by 2020, providing 368,000 new jobs in Europe.
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Turbine eoliche
One country which has already started installing significant amounts of windenergy is the US, which in 2007 added a record 5.2 GW of capacity to reach16.8 GW. This accounted for about 30% of the country’s new power-producing capacity in 2007.
Turbines at Sunset - Indian Mesa, Iraan Tx.
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Turbine eoliche
turbine ad asse orizzontale (HAWT)
turbine ad asse verticale (VAWT)
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Turbine eoliche
turbine ad asse orizzontale (HAWT)
le pale
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Turbine eoliche
Vista dall'alto (a sinistra) e vista frontale (a destra) di una pala per turbina eolica
Struttura di una pala con spar
Struttura di una pala con web
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Turbine eoliche
Sezione di una pala con struttura aweb che evidenzia laminati monoliticie strutture a sandwich
Schema di una pala che utilizzaampiamente le strutture a sandwich
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Turbine eoliche
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Turbine eoliche
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Turbine eoliche
Quali sono i vantaggi offerti dai materiali compositi strutturali nella realizzazione di pale eoliche ?
1) l’ulitizzo dei materiali compositi consente un alleggerimento del rotorerispetto a manufatti in metallo e quindi una riduzione dei carichi inerzialiassociati al movimento rotatorio.
2) Durante la vita utile (circa 20 anni) le pale sono soggette a carichi ciclicinell’ordine di 109 cicli: la resistenza a fatica dei materiali utilizzati è quindi difondamentale importanza.
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Turbine eoliche
Solitamente le turbine eoliche producono energia con la massima efficienza quando lavelocità del vento è superiore ai 10-12 m/s e vengono poste fuori servizio quandoessa raggiunge i 20-25 m/s…
Hornslet, Danimarca, 22 febbraio 2008