大型洋上風力ブレードの破壊特性を考慮した設計フレームワークを開発 ―炭素繊維の特性がブレード構造重量に与える影響を世界で初めて定量評価―

2026-05-21 東北大学

東北大学の研究グループは、大型洋上風力発電ブレードの破壊特性を考慮したマルチスケール設計フレームワークを開発し、炭素繊維特性がブレード重量や破壊モードに与える影響を世界で初めて定量評価した。研究では、10MW級・スパン長90mの洋上風力ブレードを対象に、流体力学と構造力学を統合した数値解析を実施。繊維スケールのマトリクスき裂、繊維圧縮座屈、せん断座屈など複数の微視的破壊モードを考慮し、空力荷重に応じて部材厚を自動最適化する設計法を構築した。その結果、GFRPでは前縁部でマトリクス支配破壊が生じ肉厚化する一方、CFRPではせん断座屈が主要破壊要因となることを解明。特に高剛性炭素繊維T1100Gを用いたCFRPが最軽量構造を実現した。本成果は、大型風車設計の効率化や軽量化、洋上風力発電の低コスト化に貢献すると期待される。研究成果はEngineering Structures誌に掲載された。

大型洋上風力ブレードの破壊特性を考慮した設計フレームワークを開発 ―炭素繊維の特性がブレード構造重量に与える影響を世界で初めて定量評価―
図1. 10MW級大型風力発電ブレードの構造モデルと空力解析結果

<関連情報>

複合材風力タービンブレードの設計における繊維特性の影響に関するマルチスケール数値解析フレームワーク Multi-scale numerical framework for effects of fiber properties on designing composite wind turbine blades

Tomoki Yamazaki, Yoshiaki Abe, Ryosuke Kano, Shugo Date, Tomonaga Okabe
Engineering Structures  Available online: 19 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2026.122885

Highlights

  • Multiscale framework bridges micro-failure and structural sizing for wind turbine.
  • FSI analysis by RANS for rotating blades was performed with structural sizing.
  • Matrix-dominant failure occurs in GFRP; shear buckling governs thinner CFRP blades.
  • High-stiffness T1100G CFRP achieved a 56.6% weight reduction compared to GFRP.

Abstract

This study presents a multi-scale numerical framework accounting for microscopic failure phenomena for the aero-structural design of a 10MW offshore wind turbine with 90 m-span blades that are made of glass-fiber or carbon-fiber reinforced plastics: GFRP (Silenka E-Glass 1200tex®) or CFRP (Torayca T700S®, T800S®, or T1100G®). Using static aeroelastic analysis combined with structural sizing and failure analysis, the structural thickness of spar caps, leading and trailing panels, and webs were estimated. Starting with the evaluation of aerodynamic force by computational fluid dynamics, the structural thickness was then updated in an iterative manner until the margin of safety for all failure modes, including matrix-dominant failure and shear/compression buckling, satisfied the requirements. The results showed that the matrix-dominant failure was observed only in the GFRP model, whereas shear buckling was more prevalent in the CFRP models. Owing to matrix-dominant failure, the leading panel of the GFRP model had the greatest thickness among all the models. Additionally, it was shown that using stiffer fiber in the CFRP materials decreases the thickness of the components, and the T1100G model exhibited the lightest structure among all the models. This study is the first attempt to quantitatively assess the impact of the material characteristics of carbon-fiber on their application in the blade structure of a 10MW-class offshore wind turbine. The proposed aero-structural design framework improves the efficiency of the digital design of wind turbine blades.

0101機械設計
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