Projeto ótimo de neutralizador dinâmico pendular inerter-viscoelástico aplicado a turbinas eólicas submetidas a abalos sísmicos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, Leonardo de Castro Ferreira dos
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/86885
Resumo: Orientador: Carlos Alberto Bavastri
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spelling Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaBavastri, Carlos Alberto, 1963-Santos, Leonardo de Castro Ferreira dos2024-03-05T16:56:50Z2024-03-05T16:56:50Z2023https://hdl.handle.net/1884/86885Orientador: Carlos Alberto BavastriDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 12/12/2023Inclui referênciasResumo: Turbinas eólicas são estruturas esbeltas suscetíveis a excitações de baixa frequência, como abalos sísmicos. Com a alta na demanda pela produção de energias renováveis, a instalação de torres eólicas tem expandido para regiões com maiores propensões a sismos. O controle passivo de vibração utilizando neutralizadores dinâmicos se mostra uma alternativa interessante para reduzir os riscos em eventos sísmicos. O presente trabalho busca otimizar os parâmetros construtivos de um neutralizador dinâmico do tipo pendular inerter -viscoelástico para o controle passivo de turbinas eólicas submetidas a esse tipo de catástrofe natural. Estruturas pendulares contêm a flexibilidade necessária para a sintonização em frequências naturais abaixo de 1 Hz. Ademais, inerters são dispositivos que adicionam inércia ao sistema, o que permite a redução do comprimento requerido do pêndulo. Por fim, materiais viscoelásticos são largamente utilizados em controle de vibrações, devido às suas propriedades de rigidez e amortecimento histerético. Para este estudo, a turbina de 5 MW desenvolvida pela NREL1 é utilizada como base. Primeiramente, a turbina é submetida às seguintes análises: análise modal, para a extração dos seus parâmetros modais; análise de resposta em frequência, para posterior verificação do algoritmo de otimização; e análise transiente não linear, na qual a estrutura é submetida a acelerações de um sinal temporal de abalo sísmico. Essa última considera as não linearidades provenientes de grandes deslocamentos e rotações da torre eólica, tendo como objetivo definir a(s) frequência(s) de controle. Com os parâmetros modais, um algorítimo híbrido de otimização é utilizado para encontrar os parâmetros construtivos ótimos do neutralizador dinâmico, a fim de minimizar a resposta do sistema nas suas duas primeiras frequências naturais, nas quais a energia de resposta ao sismo predomina. Com os dados ótimos do absorvedor, esse é modelado e acoplado ao sistema primário para a validação do projeto ótimo. Os resultados mostraram que, apesar do material viscoelástico apresentar baixo amortecimento no intervalo de frequências de controle, é possível reduzir a vibração do sistema primário em 72%, para ambas as direções horizontais. Além disso, observa-se um aumento considerável no amortecimento, com um maior decaimento na resposta do sistema composto. Entretanto, não foram observadas reduções expressivas na parcela transiente da resposta dada nos primeiros segundos do sinal. Outro estudo importante é o do acoplamento do inerter. Quando fixo na torre, e não em uma base rígida, se torna menos eficiente, pois a impedância mecânica inserida é reduzida com o aumento da sua inertância, o que não ocorre quando é fixo rigidamente.Abstract: Wind turbines are slender structures susceptible to low-frequency excitations, such as earthquakes. With the increased demand for renewable energy production, the installation of wind towers has expanded to regions with higher seismic propensities. Passive vibration control using dynamic absorbers proves to be an interesting alternative to minimize the risks of structural failures during seismic events. This work aims to optimize the constructive characteristics of a pendulum-type dynamic inerter-viscoelastic absorber for the passive control of wind turbines subjected to this type of natural catastrophe. Pendular structures provide the flexibility required for tuning at natural frequencies below 1 Hz. Inerters, additionally, are devices that add inertia to the system, allowing for the reduction of the required pendulum length. Finally, viscoelastic materials are widely used in vibration control due to their stiffness and hysteretic damping properties. For this study, the 5MW turbine developed by NREL2 is used as a basis. Firstly, the turbine undergoes the following analyses: modal analysis, to extract its modal parameters; frequency response analysis, for subsequent verification of the optimization algorithm; and nonlinear transient analysis, in which the structure is subjected to accelerations of a seismic time series. In the latter, nonlinearities from large displacements and rotations of the wind tower are considered, aiming to define the control frequency(ies). With the modal parameters, a hybrid optimization algorithm is used to find the optimal constructive parameters of the dynamic neutralizer to minimize the system response at its first two natural frequencies, where seismic response energy predominates. With the optimal absorber parameters, it is modeled and coupled to the primary system for the validation of the optimal design. The results showed that, despite the viscoelastic material exhibiting low damping in the control frequency range, it is possible to reduce the primary system’s vibration by 72% for both horizontal directions. Additionally, a considerable increase in damping is observed, with a greater decay in the response of the composite system. However, significant reductions in the transient portion of the response given in the first few seconds of the signal were not observed. Another important study is the inerter coupling. When fixed to the tower and not to a rigid base, it becomes less efficient because the inserted mechanical impedance is reduced with an increase in its inertia, which does not occur when it is rigidly fixed.1 recurso online : PDF.application/pdfTurbinasAbalos sísmicosVibraçãoEngenharia MecânicaProjeto ótimo de neutralizador dinâmico pendular inerter-viscoelástico aplicado a turbinas eólicas submetidas a abalos sísmicosinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - LEONARDO DE CASTRO FERREIRA DOS SANTOS.pdfapplication/pdf5124019https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/86885/1/R%20-%20T%20-%20LEONARDO%20DE%20CASTRO%20FERREIRA%20DOS%20SANTOS.pdf915b587dd1ca9dbee523dbe6f5092d7bMD51open access1884/868852024-03-05 13:56:50.43open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/86885Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-03-05T16:56:50Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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