INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN DE FIBRAS
SOBRE LA RESPUESTA ESTRUCTURAL
INDUCIDA POR ADAPTABILIDAD
AEROELÁSTICA EN PALAS DE TURBINAS
EÓLICAS HÍBRIDAS VIDRIO-CARBONO
INFLUENCE OF FIBER ORIENTATION ON THE STRUCTURAL
RESPONSE INDUCED BY AEROELASTIC ADAPTABILITY IN
HYBRID GLASS–CARBON WIND TURBINE BLADES
Jaime Espinoza Hernández
Universidad Autónoma de San Luis Potosí – México
Oscar Fernández Pérez Tejada
Universidad Autónoma de San Luis Potosí – México
León Donizetty Olivares Bazán
Universidad Autónoma de San Luis Potosí – México
José Alejandro Amaro Hernández
Universidad Autónoma de San Luis Potosí - México
pág. 6642
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v10i1.22774
Influencia de la orientación de fibras sobre la respuesta estructural
inducida por adaptabilidad aeroelástica en palas de turbinas eólicas
híbridas vidrio-carbono
Jaime Espinoza Hernández1
jaime.espinoza@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0003-3899-842X
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
Oscar Fernández Pérez Tejada
oscar.pereztejada@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0002-6009-8666
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
León Donizetty Olivares Bazán
donizetty.bazan@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0002-2070-0229
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
José Alejandro Amaro Hernández
alejandro.amaro@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0001-8856-748X
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
RESUMEN
El incremento en el tamaño de las palas de aerogeneradores modernos ha intensificado las cargas
aerodinámicas, inerciales y de fatiga, motivando el desarrollo de estrategias de control pasivo de cargas.
Entre estas, la adaptabilidad aeroelástica (Aeroelastic Tailoring, AT) aprovecha la anisotropía de los
materiales compuestos para inducir acoplamientos flexión–torsión, permitiendo que la pala se torsione
ante incrementos de carga y reduzca el ángulo de ataque de manera pasiva. En este estudio se investiga
numéricamente la influencia del ángulo de orientación de las fibras y del número de capas en la piel de
una pala eólica de 61.5 m correspondiente a la turbina de referencia NREL de 5 MW. Se emplea una
metodología basada en diseño de experimentos (DoE) y análisis por elemento finito (MEF) utilizando
ANSYS®, considerando configuraciones híbridas de fibra de carbono bajo una condición aerodinámica
representativa a 12 m/s. Los resultados muestran una alta sensibilidad de la torsión inducida al ángulo
de orientación y al espesor del laminado, identificándose ángulos óptimos cercanos a 25°, 23° y 21° para
1, 2 y 3 capas, respectivamente, con torsiones máximas en punta de hasta 4.18°, asociadas a una
reducción potencial de cargas estructurales. No obstante, las configuraciones con fibra de carbono en la
piel presentan incrementos significativos en el índice de fallo y en las deformaciones por cortante,
superando los criterios de resistencia normativa. Se concluye que la AT es efectiva para la mitigación
pasiva de cargas, pero requiere un diseño estructural cuidadosamente balanceado para garantizar la
integridad estructural de la pala
Palabras clave: Adaptabilidad aeroelásica; Acoplamiento flexión-torsión; Materiales Compuestos;
Palas de turbinas eólicas; Análisis FEM
1 Autor principal.
Correspondencia: jaime.espinoza@uaslp.mx
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v10i1.22774
Influencia de la orientación de fibras sobre la respuesta estructural
inducida por adaptabilidad aeroelástica en palas de turbinas eólicas
híbridas vidrio-carbono
Jaime Espinoza Hernández1
jaime.espinoza@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0003-3899-842X
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
Oscar Fernández Pérez Tejada
oscar.pereztejada@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0002-6009-8666
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
León Donizetty Olivares Bazán
donizetty.bazan@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0002-2070-0229
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
José Alejandro Amaro Hernández
alejandro.amaro@uaslp.mx
https://orcid.org/0000-0001-8856-748X
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
México
RESUMEN
El incremento en el tamaño de las palas de aerogeneradores modernos ha intensificado las cargas
aerodinámicas, inerciales y de fatiga, motivando el desarrollo de estrategias de control pasivo de cargas.
Entre estas, la adaptabilidad aeroelástica (Aeroelastic Tailoring, AT) aprovecha la anisotropía de los
materiales compuestos para inducir acoplamientos flexión–torsión, permitiendo que la pala se torsione
ante incrementos de carga y reduzca el ángulo de ataque de manera pasiva. En este estudio se investiga
numéricamente la influencia del ángulo de orientación de las fibras y del número de capas en la piel de
una pala eólica de 61.5 m correspondiente a la turbina de referencia NREL de 5 MW. Se emplea una
metodología basada en diseño de experimentos (DoE) y análisis por elemento finito (MEF) utilizando
ANSYS®, considerando configuraciones híbridas de fibra de carbono bajo una condición aerodinámica
representativa a 12 m/s. Los resultados muestran una alta sensibilidad de la torsión inducida al ángulo
de orientación y al espesor del laminado, identificándose ángulos óptimos cercanos a 25°, 23° y 21° para
1, 2 y 3 capas, respectivamente, con torsiones máximas en punta de hasta 4.18°, asociadas a una
reducción potencial de cargas estructurales. No obstante, las configuraciones con fibra de carbono en la
piel presentan incrementos significativos en el índice de fallo y en las deformaciones por cortante,
superando los criterios de resistencia normativa. Se concluye que la AT es efectiva para la mitigación
pasiva de cargas, pero requiere un diseño estructural cuidadosamente balanceado para garantizar la
integridad estructural de la pala
Palabras clave: Adaptabilidad aeroelásica; Acoplamiento flexión-torsión; Materiales Compuestos;
Palas de turbinas eólicas; Análisis FEM
1 Autor principal.
Correspondencia: jaime.espinoza@uaslp.mx
pág. 6643
Influence of fiber orientation on the structural response induced by
aeroelastic adaptability in hybrid glass–carbon wind turbine blades
ABSTRACT
The increase in the size of modern wind turbine blades has intensified aerodynamic, inertial, and fatigue
loads, motivating the development of passive load control strategies. Among these, aeroelastic tailoring
(AT) exploits the anisotropy of composite materials to induce bending–torsion coupling, allowing the
blade to twist under increasing loads and passively reduce the angle of attack. In this study, the influence
of fiber orientation angle and the number of layers in the skin of a 61.5 m wind turbine blade
corresponding to the NREL 5 MW reference turbine is numerically investigated. A methodology based
on Design of Experiments (DoE) and Finite Element Analysis (FEA) is employed using ANSYS®,
considering hybrid carbon fiber configurations under a representative aerodynamic condition at 12 m/s.
The results show a high sensitivity of the induced twist to fiber orientation angle and laminate thickness,
identifying optimal angles close to 25°, 23°, and 21° for 1, 2, and 3 layers, respectively, with maximum
tip twist values of up to 4.18°, associated with a potential reduction in structural loads. However,
configurations with carbon fiber in the skin exhibit significant increases in the failure index and shear
deformations, exceeding standard strength criteria. It is concluded that aeroelastic tailoring is effective
for passive load mitigation but requires a carefully balanced structural design to ensure blade structural
integrity.
Keywords: Aeroelastic tailoring; Bending–torsion coupling; Composite materials; Wind turbine blades;
FEM analysis
Artículo recibido 10 diciembre 2025
Aceptado para publicación: 10 enero 2026
Influence of fiber orientation on the structural response induced by
aeroelastic adaptability in hybrid glass–carbon wind turbine blades
ABSTRACT
The increase in the size of modern wind turbine blades has intensified aerodynamic, inertial, and fatigue
loads, motivating the development of passive load control strategies. Among these, aeroelastic tailoring
(AT) exploits the anisotropy of composite materials to induce bending–torsion coupling, allowing the
blade to twist under increasing loads and passively reduce the angle of attack. In this study, the influence
of fiber orientation angle and the number of layers in the skin of a 61.5 m wind turbine blade
corresponding to the NREL 5 MW reference turbine is numerically investigated. A methodology based
on Design of Experiments (DoE) and Finite Element Analysis (FEA) is employed using ANSYS®,
considering hybrid carbon fiber configurations under a representative aerodynamic condition at 12 m/s.
The results show a high sensitivity of the induced twist to fiber orientation angle and laminate thickness,
identifying optimal angles close to 25°, 23°, and 21° for 1, 2, and 3 layers, respectively, with maximum
tip twist values of up to 4.18°, associated with a potential reduction in structural loads. However,
configurations with carbon fiber in the skin exhibit significant increases in the failure index and shear
deformations, exceeding standard strength criteria. It is concluded that aeroelastic tailoring is effective
for passive load mitigation but requires a carefully balanced structural design to ensure blade structural
integrity.
Keywords: Aeroelastic tailoring; Bending–torsion coupling; Composite materials; Wind turbine blades;
FEM analysis
Artículo recibido 10 diciembre 2025
Aceptado para publicación: 10 enero 2026
pág. 6644
INTRODUCCIÓN
La energía eólica se genera a partir de la conversión de la energía cinética del viento en energía mecánica
mediante el rotor, y posteriormente en energía eléctrica. En las turbinas eólicas de eje horizontal
(HAWT), el rotor y sus palas son los elementos responsables de la captación de energía del viento
(Sorensen, 2011; Manwell et al., 2009). Las palas modernas de turbinas eólicas están fabricadas
predominantemente con materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras, debido a su elevada
relación resistencia–peso, rigidez específica y buena resistencia a la fatiga.
El crecimiento acelerado del sector eólico ha sido notable durante la última década. De acuerdo con el
Global Wind Energy Council (GWEC), en 2019 se instalaron más de 60 GW de nueva capacidad eólica,
alcanzando una capacidad acumulada global de aproximadamente 650 GW, con una tasa de crecimiento
anual cercana al 10% (Joyce, 2020). Proyecciones de la International Renewable Energy Agency
(IRENA) estiman que la capacidad instalada mundial alcanzará aproximadamente 1,787 GW para 2030
y más de 5,000 GW para 2050, lo que representa incrementos sustanciales respecto a los niveles actuales
(IRENA, 2019).
La tendencia actual en el diseño de aerogeneradores se orienta hacia el incremento del tamaño de los
rotores con el fin de maximizar la captura de energía del viento. Ejemplos representativos incluyen la
turbina Haliade-X de 12 MW con palas de 107 m (GE, 2021), la SG 10.0-193 DD de Siemens Gamesa
(2021), así como diseños conceptuales de turbinas de 15 MW y 20 MW desarrollados por NREL y
Sartori (2018), respectivamente.
El aumento en la longitud de las palas conlleva un incremento significativo en las cargas aerodinámicas
e inerciales, lo que somete a las palas a mayores niveles de esfuerzo, deformación y fatiga (Scott, 2017).
Para mitigar estas cargas, las turbinas eólicas incorporan sistemas de control activos, siendo el más
común el control de paso (pitch), (Scott, 2008; Ponta, 2014).
Como alternativa, los métodos de control pasivo de cargas, y en particular la adaptabilidad aeroelástica
(AT), la técnica AT aprovecha la anisotropía de los materiales compuestos para inducir un acoplamiento
flexión–torsión, de modo que la pala se torsiona automáticamente ante incrementos de carga, reduciendo
el ángulo de ataque y, por ende, las cargas aerodinámicas (Veers, 1998; Espinoza, 2022).
INTRODUCCIÓN
La energía eólica se genera a partir de la conversión de la energía cinética del viento en energía mecánica
mediante el rotor, y posteriormente en energía eléctrica. En las turbinas eólicas de eje horizontal
(HAWT), el rotor y sus palas son los elementos responsables de la captación de energía del viento
(Sorensen, 2011; Manwell et al., 2009). Las palas modernas de turbinas eólicas están fabricadas
predominantemente con materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras, debido a su elevada
relación resistencia–peso, rigidez específica y buena resistencia a la fatiga.
El crecimiento acelerado del sector eólico ha sido notable durante la última década. De acuerdo con el
Global Wind Energy Council (GWEC), en 2019 se instalaron más de 60 GW de nueva capacidad eólica,
alcanzando una capacidad acumulada global de aproximadamente 650 GW, con una tasa de crecimiento
anual cercana al 10% (Joyce, 2020). Proyecciones de la International Renewable Energy Agency
(IRENA) estiman que la capacidad instalada mundial alcanzará aproximadamente 1,787 GW para 2030
y más de 5,000 GW para 2050, lo que representa incrementos sustanciales respecto a los niveles actuales
(IRENA, 2019).
La tendencia actual en el diseño de aerogeneradores se orienta hacia el incremento del tamaño de los
rotores con el fin de maximizar la captura de energía del viento. Ejemplos representativos incluyen la
turbina Haliade-X de 12 MW con palas de 107 m (GE, 2021), la SG 10.0-193 DD de Siemens Gamesa
(2021), así como diseños conceptuales de turbinas de 15 MW y 20 MW desarrollados por NREL y
Sartori (2018), respectivamente.
El aumento en la longitud de las palas conlleva un incremento significativo en las cargas aerodinámicas
e inerciales, lo que somete a las palas a mayores niveles de esfuerzo, deformación y fatiga (Scott, 2017).
Para mitigar estas cargas, las turbinas eólicas incorporan sistemas de control activos, siendo el más
común el control de paso (pitch), (Scott, 2008; Ponta, 2014).
Como alternativa, los métodos de control pasivo de cargas, y en particular la adaptabilidad aeroelástica
(AT), la técnica AT aprovecha la anisotropía de los materiales compuestos para inducir un acoplamiento
flexión–torsión, de modo que la pala se torsiona automáticamente ante incrementos de carga, reduciendo
el ángulo de ataque y, por ende, las cargas aerodinámicas (Veers, 1998; Espinoza, 2022).
pág. 6645
La adaptabilidad aeroelástica puede lograrse mediante dos enfoques: Adaptabilidad geométrica, basada
en la curvatura inicial de la pala, y Adaptabilidad estructural, que se obtiene modificando la arquitectura
interna del laminado, la distribución del material y la orientación de las fibras (Scott, 2008). En este
contexto, el presente trabajo investiga, mediante modelado numérico basado en el Método de Elemento
Finito (MEF), la influencia del ángulo de orientación de fibras en la piel de la pala sobre la generación
de torsión inducida por flexión, así como la respuesta estructural global de una pala híbrida vidrio–
carbono.
Marco teórico y estado del arte
En el diseño de palas de turbinas eólicas con materiales compuestos anisotrópicos, es posible inducir
acoplamientos mecánicos controlados entre distintos modos de deformación. El acoplamiento flexión–
torsión es inducido principalmente por la fuerza aerodinámica de empuje, que varía con la velocidad del
viento, (Karaolis, 1989; Veers, 1998). Las palas de turbinas eólicas están fabricadas principalmente con
materiales compuestos laminados, cuya respuesta mecánica depende fuertemente de la orientación de
las fibras. Karaolis (1989) fue uno de los primeros autores en demostrar que es posible inducir
acoplamientos controlados entre modos de deformación mediante la arquitectura del laminado;
Laminados simétricos → acoplamiento flexión–torsión y Laminados antisimétricos → acoplamiento
tensión–torsión.
Los estudios previos han explorado una amplia variedad de geometrías estructurales, desde vigas planas
hasta palas completas. Los resultados muestran que el ángulo óptimo de orientación de fibras depende
fuertemente de la geometría, el material de refuerzo y la distribución del laminado (Karaolis, 1989;
Walsh, 2011; Fedorov, 2012; Ong, 1999; Kooijman, 1996). Los ángulos de orientación de fibra
encontrados que se colocan en la piel van de 9° hasta 35°, el material más utilizado ha sido la fibra de
vidrio, seguida de configuraciones híbridas vidrio–carbono y se han reportado torsiones obtenidas en la
punta desde 1° hasta 4°. La técnica de AT ha demostrado reducciones significativas en cargas
estructurales en turbinas de gran escala. Estudios en turbinas de referencia de 5 MW y 10 MW han
reportado reducción de cargas de fatiga flapwise: 8–13%, reducción de cargas extremas: 6–8% y
reducción de momentos en la raíz: hasta 16%, (Bagherpour, 2018; Rohaida, 2017; Chen, 2019; Meng,
2018; Hayat, 2015; Ha, 2014), ver Tabla 1 y Tabla 2.
La adaptabilidad aeroelástica puede lograrse mediante dos enfoques: Adaptabilidad geométrica, basada
en la curvatura inicial de la pala, y Adaptabilidad estructural, que se obtiene modificando la arquitectura
interna del laminado, la distribución del material y la orientación de las fibras (Scott, 2008). En este
contexto, el presente trabajo investiga, mediante modelado numérico basado en el Método de Elemento
Finito (MEF), la influencia del ángulo de orientación de fibras en la piel de la pala sobre la generación
de torsión inducida por flexión, así como la respuesta estructural global de una pala híbrida vidrio–
carbono.
Marco teórico y estado del arte
En el diseño de palas de turbinas eólicas con materiales compuestos anisotrópicos, es posible inducir
acoplamientos mecánicos controlados entre distintos modos de deformación. El acoplamiento flexión–
torsión es inducido principalmente por la fuerza aerodinámica de empuje, que varía con la velocidad del
viento, (Karaolis, 1989; Veers, 1998). Las palas de turbinas eólicas están fabricadas principalmente con
materiales compuestos laminados, cuya respuesta mecánica depende fuertemente de la orientación de
las fibras. Karaolis (1989) fue uno de los primeros autores en demostrar que es posible inducir
acoplamientos controlados entre modos de deformación mediante la arquitectura del laminado;
Laminados simétricos → acoplamiento flexión–torsión y Laminados antisimétricos → acoplamiento
tensión–torsión.
Los estudios previos han explorado una amplia variedad de geometrías estructurales, desde vigas planas
hasta palas completas. Los resultados muestran que el ángulo óptimo de orientación de fibras depende
fuertemente de la geometría, el material de refuerzo y la distribución del laminado (Karaolis, 1989;
Walsh, 2011; Fedorov, 2012; Ong, 1999; Kooijman, 1996). Los ángulos de orientación de fibra
encontrados que se colocan en la piel van de 9° hasta 35°, el material más utilizado ha sido la fibra de
vidrio, seguida de configuraciones híbridas vidrio–carbono y se han reportado torsiones obtenidas en la
punta desde 1° hasta 4°. La técnica de AT ha demostrado reducciones significativas en cargas
estructurales en turbinas de gran escala. Estudios en turbinas de referencia de 5 MW y 10 MW han
reportado reducción de cargas de fatiga flapwise: 8–13%, reducción de cargas extremas: 6–8% y
reducción de momentos en la raíz: hasta 16%, (Bagherpour, 2018; Rohaida, 2017; Chen, 2019; Meng,
2018; Hayat, 2015; Ha, 2014), ver Tabla 1 y Tabla 2.
pág. 6646
Tabla 1. Revisión del estado del arte sobre la reducción de cargas
Autor
Geometría
utilizada
Ángulos de orientación de
fibra
Resultados
(Bagheropur, 2018)
10 MW
Rotor de 178.3 m.
9°-12.5°-Piel
Torsión 4° en punta
Reducción en dirección Flapwise:
Fatiga:7-10%, Extremas:6-8%
(Rohaida, 2017)
5 MW
Palas de 61.5 m
Distribuciones de twist a lo
largo de la pala (4 modelos)
Torsiones en punta: 2.8°, 1°, 1.5°
Reducción en uso de Pitch
Eliminación de picos a altas frecuencias,
Indicativo de reducción de fatiga
(Chen, 2019)
5 MW
Palas de 61.5 m
20°-spar-cap
Torsión 4° en punta
Reducción de 16% momentos en raíz
(Meng, 2018)
5 MW
Palas de 61.5 m
5°-spar-cap
10°-spar-cap
15°-spar-cap
Reducción de cargas en spar-cap del 20-
25%. Mejor resultado 15°
(Hayat, 2015)
5 MW
Palas de 61.5 m
Laminados desbalanceados
con ángulos de fibra de 25°
Torsiones de 0.24°, 1.94° y 2.99° en punta
Reducción de cargas de fatiga de 8.7-13.7%
(Ha, 2014)
5 MW
Palas de 61.5 m
35° y 25° en laminados
BIAX y TRIAX
Reducción en índice de fallo en compuestos
de 18% y 38%
Tabla 2. Revisión del estado del arte sobre diferentes geometrías
Autor Geometría utilizada Resultados
(Karaolis, 1989) Viga con sección transversal plana
Máximo acoplamiento flexión torsión a:
12°-carbono, 10°-kevlar, 18°vidrio
(Walsh, 2011) Viga con sección transversal plana
Máximo acoplamiento flexión torsión a:
20°-carbono, 15°-kevlar, 25°vidrio
(Fedorov, 2012) Viga con sección abierta en I Máximo acoplamiento flexión torsión a 15°-vidrio
(Fedorov, 2012)
Viga con sección cerrada en forma de
caja
Máximo acoplamiento flexión torsión a 25°-vidrio
Tabla 1. Revisión del estado del arte sobre la reducción de cargas
Autor
Geometría
utilizada
Ángulos de orientación de
fibra
Resultados
(Bagheropur, 2018)
10 MW
Rotor de 178.3 m.
9°-12.5°-Piel
Torsión 4° en punta
Reducción en dirección Flapwise:
Fatiga:7-10%, Extremas:6-8%
(Rohaida, 2017)
5 MW
Palas de 61.5 m
Distribuciones de twist a lo
largo de la pala (4 modelos)
Torsiones en punta: 2.8°, 1°, 1.5°
Reducción en uso de Pitch
Eliminación de picos a altas frecuencias,
Indicativo de reducción de fatiga
(Chen, 2019)
5 MW
Palas de 61.5 m
20°-spar-cap
Torsión 4° en punta
Reducción de 16% momentos en raíz
(Meng, 2018)
5 MW
Palas de 61.5 m
5°-spar-cap
10°-spar-cap
15°-spar-cap
Reducción de cargas en spar-cap del 20-
25%. Mejor resultado 15°
(Hayat, 2015)
5 MW
Palas de 61.5 m
Laminados desbalanceados
con ángulos de fibra de 25°
Torsiones de 0.24°, 1.94° y 2.99° en punta
Reducción de cargas de fatiga de 8.7-13.7%
(Ha, 2014)
5 MW
Palas de 61.5 m
35° y 25° en laminados
BIAX y TRIAX
Reducción en índice de fallo en compuestos
de 18% y 38%
Tabla 2. Revisión del estado del arte sobre diferentes geometrías
Autor Geometría utilizada Resultados
(Karaolis, 1989) Viga con sección transversal plana
Máximo acoplamiento flexión torsión a:
12°-carbono, 10°-kevlar, 18°vidrio
(Walsh, 2011) Viga con sección transversal plana
Máximo acoplamiento flexión torsión a:
20°-carbono, 15°-kevlar, 25°vidrio
(Fedorov, 2012) Viga con sección abierta en I Máximo acoplamiento flexión torsión a 15°-vidrio
(Fedorov, 2012)
Viga con sección cerrada en forma de
caja
Máximo acoplamiento flexión torsión a 25°-vidrio
pág. 6647
(Ong, 1999)
Viga con sección cerrada en forma de
D
Analiza las siguientes configuraciones:
T800 (60/2515/60), Torayca (60/2524/60),
Torayca/vidrio (70g/209ca/208g/208ca/70g) y
T800/vidrio (70g/206ca/206ca/206ca/70g)
(Kooijman, 1996) Perfil aerodinámico NACA 63618
Laminado de carbono (25/-65/25)s
Laminado híbrido (25ca/-65gl/25ca)s.
(Fedorov, 2012) Sección de 8.3 m de pala Fibras de vidrio colocadas a 25°
(Goeij, 1999) Pala de 26.3 m
Laminado (25ca/-65gl/25ca/0gl)s en
Piel, obtuvo 2.33° en punta
Spar-cap-box, obtuvo 2.22° en punta
Doble spar-cap-box, obtuvo 2.73° en punta
Los programas de simulación numérica utilizados para análisis estructurales se muestran en la Tabla 3,
siendo el más común ANSYS ACP.
Tabla 3. Revisión del estado del arte sobre modelado numérico
Autor Software Autor Software
(Deilmann, 2009) ADINA (Murray, 2014) Altair Hyperworks RADIOSS
(Fedorov, 2009), (Capuzzi, 2014)
MSC
NASTRAN
(Hayat, 2015), (Ha,
2014)
ABAQUS
(Manudha, 2015), (Liu, 2011), (Ong,
1999), (Fedorov, 2009)
ANSYS APDL (Ong, 1999) 3D Beam
(Quang, 2017), (Danao, 2016),
(Ozyildiz, 2018), (Wang, 2018)
ANSYS ACP
METODOLOGÍA
El enfoque metodológico se basa en un diseño de experimentos (DoE) aplicado a un modelo numérico
de alta fidelidad, donde se controlan sistemáticamente las variables que influyen en la torsión inducida
por cargas aerodinámicas, y, en consecuencia, en la reducción de cargas estructurales.
(Ong, 1999)
Viga con sección cerrada en forma de
D
Analiza las siguientes configuraciones:
T800 (60/2515/60), Torayca (60/2524/60),
Torayca/vidrio (70g/209ca/208g/208ca/70g) y
T800/vidrio (70g/206ca/206ca/206ca/70g)
(Kooijman, 1996) Perfil aerodinámico NACA 63618
Laminado de carbono (25/-65/25)s
Laminado híbrido (25ca/-65gl/25ca)s.
(Fedorov, 2012) Sección de 8.3 m de pala Fibras de vidrio colocadas a 25°
(Goeij, 1999) Pala de 26.3 m
Laminado (25ca/-65gl/25ca/0gl)s en
Piel, obtuvo 2.33° en punta
Spar-cap-box, obtuvo 2.22° en punta
Doble spar-cap-box, obtuvo 2.73° en punta
Los programas de simulación numérica utilizados para análisis estructurales se muestran en la Tabla 3,
siendo el más común ANSYS ACP.
Tabla 3. Revisión del estado del arte sobre modelado numérico
Autor Software Autor Software
(Deilmann, 2009) ADINA (Murray, 2014) Altair Hyperworks RADIOSS
(Fedorov, 2009), (Capuzzi, 2014)
MSC
NASTRAN
(Hayat, 2015), (Ha,
2014)
ABAQUS
(Manudha, 2015), (Liu, 2011), (Ong,
1999), (Fedorov, 2009)
ANSYS APDL (Ong, 1999) 3D Beam
(Quang, 2017), (Danao, 2016),
(Ozyildiz, 2018), (Wang, 2018)
ANSYS ACP
METODOLOGÍA
El enfoque metodológico se basa en un diseño de experimentos (DoE) aplicado a un modelo numérico
de alta fidelidad, donde se controlan sistemáticamente las variables que influyen en la torsión inducida
por cargas aerodinámicas, y, en consecuencia, en la reducción de cargas estructurales.
pág. 6648
Cada combinación del DoE es evaluada mediante modelado por elemento finito (MEF) empleando el
software ANSYS®.
La metodología se organiza de la siguiente manera:
• Definición de la pala convencional de referencia.
• Estudio paramétrico del acoplamiento flexión–torsión aplicado en la piel de la pala.
Pala convencional de referencia
La geometría de referencia corresponde a la pala de la turbina eólica NREL de 5 MW, desarrollada por
el National Renewable Energy Laboratory (NREL) (Jonkman et al., 2009), ampliamente utilizada en
estudios de adaptabilidad aeroelástica y control pasivo de cargas (Bagherpour et al., 2018; Rohaida et
al., 2017; Chen et al., 2019; Meng et al., 2018).
La pala tiene una longitud total de 61.5 m, una cuerda máxima de 4.5 m ubicada a 16.5 m desde la raíz
y está conformada por los perfiles aerodinámicos: DU00-W-405, DU00-W-450, DU97-W-350, DU91-
W2-250, NACA 64421 y NACA 614618, la distribución de cuerda y twist se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Geometría aerodinámica de la pala de NREL (Jonkman, 2009)
Estructura interna y definición del laminado
La estructura interna de la pala se define conforme a un diseño convencional validado previamente
(Espinoza, 2022), ver Figura 2. Los principales componentes estructurales incluyen:
• Raíz: laminado TRIAX con espesor máximo de 67.86 mm.
• Spar-caps: laminado UD embebido en las conchas, con orientación de fibra 0°, espesor máximo
de 46.28 mm.
Cada combinación del DoE es evaluada mediante modelado por elemento finito (MEF) empleando el
software ANSYS®.
La metodología se organiza de la siguiente manera:
• Definición de la pala convencional de referencia.
• Estudio paramétrico del acoplamiento flexión–torsión aplicado en la piel de la pala.
Pala convencional de referencia
La geometría de referencia corresponde a la pala de la turbina eólica NREL de 5 MW, desarrollada por
el National Renewable Energy Laboratory (NREL) (Jonkman et al., 2009), ampliamente utilizada en
estudios de adaptabilidad aeroelástica y control pasivo de cargas (Bagherpour et al., 2018; Rohaida et
al., 2017; Chen et al., 2019; Meng et al., 2018).
La pala tiene una longitud total de 61.5 m, una cuerda máxima de 4.5 m ubicada a 16.5 m desde la raíz
y está conformada por los perfiles aerodinámicos: DU00-W-405, DU00-W-450, DU97-W-350, DU91-
W2-250, NACA 64421 y NACA 614618, la distribución de cuerda y twist se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Geometría aerodinámica de la pala de NREL (Jonkman, 2009)
Estructura interna y definición del laminado
La estructura interna de la pala se define conforme a un diseño convencional validado previamente
(Espinoza, 2022), ver Figura 2. Los principales componentes estructurales incluyen:
• Raíz: laminado TRIAX con espesor máximo de 67.86 mm.
• Spar-caps: laminado UD embebido en las conchas, con orientación de fibra 0°, espesor máximo
de 46.28 mm.
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• Piel interna y externa: laminado TRIAX con orientación 0°, dos capas por cada concha.
• Refuerzos de borde de ataque y salida: laminados TRIAX y UD, respectivamente.
• Núcleo (core): PVC con espesor constante de 40 mm.
• Largueros (webs): estructura sándwich BIAX–PVC.
El peso total de la pala con laminado convencional es de 20.113 toneladas, con el centro de masa
localizado en 𝑋 = 533.35mm, 𝑌 = −192.67mm, 𝑍 = 43.605m.
Figura 2. Distribución de espesores en la pala con laminado convencional
Materiales utilizados
Las propiedades mecánicas de los materiales compuestos y del núcleo se definen a partir de literatura
validada y normas internacionales: Espesor y densidad: Tabla 4, Constantes elásticas: Tabla 5 y
Deformaciones permisibles: Tabla 6. Las deformaciones permisibles se reducen mediante un factor
parcial de seguridad conforme a la normativa GL (2010).
Tabla 4. Espesor y peso del compuesto
UD BIAX TRIAX UDC CORE
Espesor [mm] 0.89 0.65 0.87 0.4 10
Densidad de compuesto [kg/m3] 1870 1835 1890 1490 100
• Piel interna y externa: laminado TRIAX con orientación 0°, dos capas por cada concha.
• Refuerzos de borde de ataque y salida: laminados TRIAX y UD, respectivamente.
• Núcleo (core): PVC con espesor constante de 40 mm.
• Largueros (webs): estructura sándwich BIAX–PVC.
El peso total de la pala con laminado convencional es de 20.113 toneladas, con el centro de masa
localizado en 𝑋 = 533.35mm, 𝑌 = −192.67mm, 𝑍 = 43.605m.
Figura 2. Distribución de espesores en la pala con laminado convencional
Materiales utilizados
Las propiedades mecánicas de los materiales compuestos y del núcleo se definen a partir de literatura
validada y normas internacionales: Espesor y densidad: Tabla 4, Constantes elásticas: Tabla 5 y
Deformaciones permisibles: Tabla 6. Las deformaciones permisibles se reducen mediante un factor
parcial de seguridad conforme a la normativa GL (2010).
Tabla 4. Espesor y peso del compuesto
UD BIAX TRIAX UDC CORE
Espesor [mm] 0.89 0.65 0.87 0.4 10
Densidad de compuesto [kg/m3] 1870 1835 1890 1490 100