Uma metodologia para análise de comportamento estrutural de componentes de aerogeradores
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Data de Publicação: | 2016 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFPE |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/17828 |
Resumo: | Simulações computacionais do comportamento dinâmico dos modernos aerogeradores constituem-se em informação técnica estratégica muito empregada e, cada vez mais valorizada, nas etapas de projeto e certificação de uma nova máquina para o cada vez mais concorrido mercado global de energia eólica. Essas simulações são realizadas com o emprego de complexos sistemas computacionais que demandam do usuário expertise em vários campos de conhecimento técnico das engenharias. Este trabalho objetiva apresentar e testar uma metodologia para investigar o comportamento estrutural de componentes de aerogeradores. O estudo de caso é desenvolvido com um aerogerador modelo do tipo Velocidade Varável Pitch Variável de 2 MW disponível em um código aeroelástico, GL Bladed que será utilizado nas simulações dinâmicas dos principais estados operacionais (operação normal, partida, parada normal, parada de emergência) e não operacionais (estado ocioso, estado estacionário) do aerogerador para obter as forças e momentos tridimensionais que serão transmitidas para toda a estrutura do aerogerador. Uma ferramenta de CAD (Solidworks) é utilizada para representar em 3D o modelo do aerogerador completo, considerando-se duas situações para a sua estrutura de sustentação: torre de aço e torre de concreto armado. Em seguida, os modelos geométricos são exportados para uma ferramenta de elementos finitos (COMSOL Multiphysics) visando realizar simulações numéricas da resposta estrutural dos modelos através de verificação das tensões e deslocamentos produzidos. A ferramenta de elementos finitos é alimentada pelos cenários mais críticos identificados, dentre os elencados pela IEC 61400-1. Ao se comparar os resultados obtidos pela solução do modelo de elementos finitos para todas as condições simuladas, verificou-se que nenhum dos valores de tensões máximas de Von-Mises sofridas pelas torres de aço e de concreto atingiu o valor das suas respectivas tensões de cálculo. Este resultado evidencia que tanto o modelo da torre de aço quanto ao de concreto resistiriam aos piores cenários de forças e momentos tridimensionais. Observaram-se concentrações de tensões nas regiões de descontinuidade geométricas da estrutura das torres. Por outro lado, os deslocamentos máximos obtidos para as torres foram analisados para verificar o aspecto da flexibilidade da estrutura de sustentação. Por fim, analisou-se o comportamento estrutural dos modelos das torres de aço e de concreto armado em regime estacionário, sob a ação da velocidade básica do vento (velocidade extrema) da região de interesse. Este estudo de caso demonstrou a aplicabilidade da metodologia proposta para análise do comportamento estrutural de componentes de aerogeradores. Sugere-se a aplicação da mesma para outros componentes da máquina visando demonstrar a robustez do método proposto. |
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ASIBOR, Aigbokhan IsaiahARAÚJO, Alex MaurícioARAÚJO, Alex Maurício2016-09-12T18:09:25Z2016-09-12T18:09:25Z2016-01-29https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/17828Simulações computacionais do comportamento dinâmico dos modernos aerogeradores constituem-se em informação técnica estratégica muito empregada e, cada vez mais valorizada, nas etapas de projeto e certificação de uma nova máquina para o cada vez mais concorrido mercado global de energia eólica. Essas simulações são realizadas com o emprego de complexos sistemas computacionais que demandam do usuário expertise em vários campos de conhecimento técnico das engenharias. Este trabalho objetiva apresentar e testar uma metodologia para investigar o comportamento estrutural de componentes de aerogeradores. O estudo de caso é desenvolvido com um aerogerador modelo do tipo Velocidade Varável Pitch Variável de 2 MW disponível em um código aeroelástico, GL Bladed que será utilizado nas simulações dinâmicas dos principais estados operacionais (operação normal, partida, parada normal, parada de emergência) e não operacionais (estado ocioso, estado estacionário) do aerogerador para obter as forças e momentos tridimensionais que serão transmitidas para toda a estrutura do aerogerador. Uma ferramenta de CAD (Solidworks) é utilizada para representar em 3D o modelo do aerogerador completo, considerando-se duas situações para a sua estrutura de sustentação: torre de aço e torre de concreto armado. Em seguida, os modelos geométricos são exportados para uma ferramenta de elementos finitos (COMSOL Multiphysics) visando realizar simulações numéricas da resposta estrutural dos modelos através de verificação das tensões e deslocamentos produzidos. A ferramenta de elementos finitos é alimentada pelos cenários mais críticos identificados, dentre os elencados pela IEC 61400-1. Ao se comparar os resultados obtidos pela solução do modelo de elementos finitos para todas as condições simuladas, verificou-se que nenhum dos valores de tensões máximas de Von-Mises sofridas pelas torres de aço e de concreto atingiu o valor das suas respectivas tensões de cálculo. Este resultado evidencia que tanto o modelo da torre de aço quanto ao de concreto resistiriam aos piores cenários de forças e momentos tridimensionais. Observaram-se concentrações de tensões nas regiões de descontinuidade geométricas da estrutura das torres. Por outro lado, os deslocamentos máximos obtidos para as torres foram analisados para verificar o aspecto da flexibilidade da estrutura de sustentação. Por fim, analisou-se o comportamento estrutural dos modelos das torres de aço e de concreto armado em regime estacionário, sob a ação da velocidade básica do vento (velocidade extrema) da região de interesse. Este estudo de caso demonstrou a aplicabilidade da metodologia proposta para análise do comportamento estrutural de componentes de aerogeradores. Sugere-se a aplicação da mesma para outros componentes da máquina visando demonstrar a robustez do método proposto.Computational simulations of the dynamic behavior of modern wind turbines provide technical strategic information very much employed and, increasingly valued during the design stages and certification of a new wind turbine for the increasingly competitive global wind energy market. These simulations are performed with the use of complex computational systems that require user experience in several technical expertise fields of engineering. This work seeks to present and test a methodology in order to investigate the structural behavior of wind turbine components. The case study is performed with a 2 MW Variable Speed Variable Pitch (VSVP) wind turbine model available in an aeroelastic code, GL Bladed where dynamic simulations of the main operational (normal operation, start-up, normal stop, emergency stop) and non-operational (idling and parked state) states of the wind turbine are performed in order to obtain the tridimensional forces and moments transmitted to the whole turbine structure. A CAD tool (Solidworks) is employed to represent the complete wind turbine model in 3D, considering two situations for the support system: steel tower and reinforced concrete tower. The geometric models are exported to a finite element tool (COMSOL Multiphysics) with the aim of simulating numerically their structural behavior by observing the stresses and displacement produced. The finite element tool is fed with the most critical scenarios identified, among others given by IEC 61400-1. When the results of the solution given by the finite element model for all the simulated conditions were compared, it was observed that the maximum von Mises stresses produced in each of the towers did not reach the respective calculated stress value. This result proves that both concrete and steel towers resisted the worst scenarios of tridimensional forces and moments. Stress concentrations were identified in the discontinuity regions of the tower structures. On the other hand, the maximum displacements produced on the towers were analyzed with the aim of verifying the flexibility aspect of the support structure. Finally, the influence of extreme wind on the structural models of the steel and reinforced concrete tower model were analyzed under the rotor parked mode at the region of interest. The case study demonstrated the applicability of the proposed methodology for analyzing the integrity of wind turbine components. It is recommended that this methodology is applied for other wind turbine components in order to demonstrate the robustness of the proposed method.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em Engenharia MecanicaUFPEBrasilAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessAerogeradores; Aeroelasticidade; Método de Elementos Finitos; Comportamento estrutural.Wind turbines; Aeroelasticity; Finite Element Method; Structural behaviorUma metodologia para análise de comportamento estrutural de componentes de aerogeradoresinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesismestradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPETHUMBNAILUMA METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE COMPONENTES DE AEROGERADORES.pdf.jpgUMA METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE COMPONENTES DE AEROGERADORES.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1223https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/17828/5/UMA%20METODOLOGIA%20PARA%20AN%c3%81LISE%20DE%20COMPORTAMENTO%20ESTRUTURAL%20DE%20COMPONENTES%20DE%20AEROGERADORES.pdf.jpg6b82c4db0ff74416455b77c2fdad7de9MD55ORIGINALUMA METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE COMPONENTES DE AEROGERADORES.pdfUMA METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE COMPONENTES DE AEROGERADORES.pdfapplication/pdf2234628https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/17828/1/UMA%20METODOLOGIA%20PARA%20AN%c3%81LISE%20DE%20COMPORTAMENTO%20ESTRUTURAL%20DE%20COMPONENTES%20DE%20AEROGERADORES.pdfc801a59ec85918d199458eb62c41c451MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; 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