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Título: Contribuições para otimização estrutural de torres tubulares de aço para turbinas eólicas
Título em inglês: Contributions to structural optimization of tubular steel towers for wind turbines
Autor(es): Lima, João Baptista Cardoso Athayde
Orientador(es): Melo, Antônio Macário Cartaxo de
Coorientador(es): Parente Júnior, Evandro
Palavras-chave: Engenharia estrutural
Estruturas de aço
Otimização estrutural
Data do documento: 2011
Citação: LIMA, J. B. C. A. (2011)
Resumo: As grandes questões do mundo globalizado têm passado, necessariamente, pelos temas ligados à sustentabilidade, energia limpa, exploração do meio ambiente de forma ecologicamente correta e inovação tecnológica para manter o planeta saudável. Nesse contexto, a energia eólica vem se destacando, principalmente na região Nordeste do Brasil, pelo grande potencial dos ventos e as características de renovabilidade e complementaridade com a energia das hidrelétricas. As torres, que representam parcela significativa do custo do sistema, tendem a crescer buscando ventos com maiores velocidade e permitindo a utilização de turbinas eólicas de maior capacidade de geração, acentuando-se a sua importância como elemento estrutural do sistema. O objetivo geral deste trabalho é formular um modelo de otimização de torres tubulares de aço, composta de segmentos em tronco de cone. Busca-se a solução de peso mínimo, tendo como variáveis de projeto os diâmetros externos e as espessuras de chapa características de cada segmento. Restrições relativas à resistência, à estabilidade e rigidez são impostas com base em normas brasileiras. Restrições relativas à frequência natural, a limitações de transporte e geométricas são também requeridas. O conjunto nacele/rotor é modelado como uma massa rígida fixada no topo da torre, sem rotação, e o carregamento atuante na estrutura inclui os pesos da torre e do conjunto rotor/nacele, o efeito estático da ação do vento sobre a torre e as pás do rotor. A concepção de análise adota modelo de viga engastada na base e livre no topo e emprega uma formulação não linear geométrica pelo Método de Elementos finitos usando um programa em C++. O modelo de otimização foi implementado no MATLAB e, devido à natureza discreta das variáveis de projeto e às descontinuidades de funções de restrição e de suas derivadas, utilizam-se algoritmos genéticos na solução. Buscas na vizinhança das soluções discretas são realizadas usando um algoritmo baseado em informação de gradiente (fmincon do MATLAB). Aplicações para várias alturas de torre são feitas, incluindo comparações com uma torre cilíndrica para validação do modelo. Os resultados são analisados frente aos de outros modelos da literatura. Os conceitos de projeto de torre rígida e flexível são discutidos relaxando-se as restrições de rigidez e de frequência. Soluções obtidas são analisadas usando elementos de casca do programa de análise ABAQUS para verificação de tensões e deslocamentos.
Abstract: The main subjects of the globalized world have passed necessarily by issues related to sustainability, clean energy, environment exploration in an ecologically correct way, and technology innovation to maintain a healthy planet. In this context, the wind has been highlighting, especially in the Northeast of Brazil, because of the large wind potential and the characteristics of renewability and complementarily with hydropower energy. The towers represent significant portion of the cost of the system, tends to grow seeking greatest wind speeds and allowing the use of wind turbines with bigger production capacity, emphasizing its importance as a structural element of the system. The main objective of this work is to formulate an optimization model of tubular steel towers, composed of segments in truncated cone. The aim is a minimum weight solution, having outer diameters and plate thicknesses characteristics of each segment as design variables. Constraints related to strength, stability and stiffness are imposed based on Brazilian codes. Constraints related to natural frequency, the limitations of transport and geometry are also required. The nacelle/rotor conjunct is modeled as a rigid mass attached to the top of the tower, without rotation, and the loading acting on the structure includes the weights of the tower and the nacelle/rotor conjunct, the static wind effect on the tower and on rotor blades. The analysis model adopts cantilever beam and employs a formulation for geometric nonlinear finite element method using a C++ program. The optimization model was implemented in MATLAB and due to the discrete nature of the design variables and the discontinuities of the constraint functions and their gradients we use genetic algorithms in the solution. Searches in the neighborhood of the discrete solutions are performed using a gradient based algorithm (fmincon in MATLAB). Applications to several tower heights are made, including comparisons with a cylindrical tower to validate the model. The results are analyzed against others models in the literature. The concepts of rigid and flexible tower project are discussed relaxing their stiffness and frequency constraints. Solutions obtained are analyzed using shell elements of ABAQUS analysis program to check tensions and displacements.
Descrição: LIMA, J. B. C. A. Contribuições para otimização estrutural de torres tubulares de aço para turbinas eólicas. 2011, 149 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil, Estruturas e Construção Civil) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2011.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/3749
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