owt optimization

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE

Indirizzo Strutture

Anno Accademico 2008 - 2009

Ottimizzazione della struttura di supporto

per una turbina eolica offshore

LAUREANDO:

Mario Torcinaro

RELATORE:

Prof. Ing. Franco Bontempi

CORRELATORI:

Ing. Stefania ArangioIng. Francesco Petrini

Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore

Indice

PARTE I:Concetti di base

PARTE II:Il caso delle Turbine eoliche offshore

PARTE III:Applicazione progettuale

1/28

Concetti di base:Ottimizzazione

Elementi del problema

Metodi

•Metodi del primo ordine•Metodi di ordine zero

Formulazione generale

.RXed

,0)(,0)(

,0)(,0)(

,0)(,0)(asottoposto

)(min

n

21

22

11

x

xx

xx

xx

x

mm gh

gh

gh

f

•Variabili di Progetto

nxxxx ,,, 21

•Condizioni di Vincolo

0)( xg0)( xh

•Funzione Obiettivo)(xf

Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore2/28

Concetti di base:Strumenti


Algoritmo del primo ordine in ANSYS

Funzione obiettivo (penalty function)

m

1iig

n

1iix

0

gPqxPq,xQff

λ2

ii

iig αg

ggP

Gradiente (steepest descend method)

jj

j1j dsxx gradiente della funzione obiettivo Q(x,q) :d j

:s j passo, dipende da parametri inseriti dall’utente


•Q(x,q) = Funzione obiettivo adimensionalizzata del problema non vincolato

•Px,Pg,Ph= Funzioni Barriera per le variabili e i vincoli del problema

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Il caso delle turbine eoliche offshore


Il caso delle turbine eoliche offshore

Tipologie


Descrizione della struttura: Monopila

•Altezza complessiva 180 m

•Lunghezza fuori terra: 140 m

•Parte in acqua: 35 m

•Parte emersa: 105 m

Struttura di supporto

Rotore e navicella

•Potenza 5 Mw•Diametro 126.0m•Area 12,469m2•LunghezzaPale 61.5m


Modellazione delle Azioni & condizioni al contorno

LOAD CASE 1: DEAD LOAD + WIND X + WAVE XLOAD CASE 2: DEAD LOAD + WIND D + WAVE XLAOD CASE 3: DEAD LOAD + WIND X + WAVE YLAOD CASE 4: DEAD LOAD + WIND X + WAVE D


Discretizzazione

!*******INTERPOLAZIONE LINEARE PER I DIAMETRI INTERMEDI******!**********DIAMETRI DA 2 A 7**********************************DO,I,1,6

D%I+1%=((I*P1/7)/P1)*(D8-D1)+D1*ENDDO!************************************************************!**********DIAMETRI DA 9 A 13*********************************DO,I,1,5

D%I+8%=((((I*((P2-P1)/6)+P1)-P1)/(P2-P1))*(D14-D8))+D8*ENDDO!************************************************************!**********DIAMETRI DA 15 A 16********************************DO,I,1,2

D%I+14%=((((I*((P3-P2)/3)+P2)-P2)/(P3-P2))*(D17-D14))+D14*ENDDO!************************************************************

•20 parametri dimensionali

•6 variabili principali

•14 variabili secondarie

j

ij

ijjiij

k dpp

ddppn

ppk

d

)(1

)(Interpolazione Lineare


Vincoli di Rigidezza

Vincoli dell’ottimizzazione

Rapporto massimo d/t<100

Vincoli Tensionali

σVon Mises< fyd fyd=355/1.15 N/mm2

σCompressione< fycd fycd=355/1.7 N/mm2

Spostamento massimo

δmax < L/100


Processo di ottimizzazione



Variabili principali



Vincoli



Funzione Obiettivo

q,QQq,Q p xxx f


Sensitivity study

Variazione della funzione Volumedovute ad una variazione del +1% delle dv

DV's Δvolume [m3] Volume di riferimento [m3] Δ [%]

D1 2,20 304,7 0,72

D8 2,54 304,7 0,83

D14 1,22 304,7 0,40

D17 0,16 304,7 0,05

K1 -1,30 304,7 -0,43

K2 -1,21 304,7 -0,40

K3 -0,45 304,7 -0,15

Variazione della funzione Max Dispalcementdovute ad una variazione del +1% delle dv

DV's Δdispalce [m] Displace di riferimento [m] Δ [%]

D1 -1,85E-02 1,409 -1,31

D8 -2,27E-02 1,409 -1,61

D14 -1,20E-02 1,409 -0,85

D17 -1,59E-03 1,409 -0,11

K1 5,48E-03 1,409 0,39

K2 5,90E-03 1,409 0,42

k3 1,84E-03 1,409 0,13


Costruzione della superficie di Pareto

“Pareto curves often give an insight into the optimization problem that simply cannot be obtained by looking at a single point in the design or criterion space [1]

”

Funzione Multi obiettivo

)(),...,(),( 21 xfxfxff m

...)()( 1111 xfwxfwf

1,01

m

iii ww

Minimizzare:

Con:

)(1 xff

......

)( 22 cxf

Minimizzare:

Con:



100

90

80

70

60

50

L

L

L

L

L

L

DispMax

100

90

80

70

60

50

td



22 xexdycxbaz

INTERPOLAZIONE POLINOMIALE


Risultati

D1=9.02601543D2=8.66112225D3=8.29622906D4=7.93133588D5=7.56644270D6=7.20154952D7=6.83665634D8=6.47176315D9=6.16996857D10=5.86817399D11=5.56637940D12=5.26458482D13=4.96279024

D14=4.66099565D15=3.85086207D16=3.04072849

•D17=2.23059491

T1=0.156044224T2=0.117693629T3=9.976363548E-02

K1=57.8426755 (CLASSE III)K2=54.9882198 (CLASSE III)K3=46.7203870 (CLASSE III~II)

VOLUME=304.82 [m3]


Descrizione del modello: Quadripode

Vincolo: Moltiplicatore Ultimo Euleriano < 5

21.5oltre 32 m

16da 24 a 32 m

10da 16 a 24 m

6da 8 a 16 m

3fino a 8 m

Modulo di Young E [N/mm2]

Profondità [m]

Interazione Terreno Struttura


Substructuring


Dead Load – σz [Pa]

Espansione della soluzione


Wind x – σz [Pa]

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Configurazione ottimizzata

VOLUME=116 [m3]

Diametri [m] Spessori [m] d/t

D1 2.25 T1 3.1E-02 72.5

D2 3.14 T2 4.2E-02 75.5

D3 4.03 T3 4.2E-02 96.9

D4 4.56 T4 4.2E-02 109.5

D5 5.09 T5 5.2E-02 97.5

D6 2.37 T6 3.3E-02 71.8

D7 5.09 T7 5.2E-02 97.5

D8 5.30 T8 5.4E-02 98.3

D9 5.05 T9 5.4E-02 93.7

D10 4.80 T10 5.4E-02 89.1

D11 4.55 T11 5.4E-02 84.5

D12 4.31 T12 4.4E-02 97.9

D13 3.84 T13 4.4E-02 87.3

D14 3.37 T14 4.4E-02 76.7

D15 2.91 T15 4.4E-02 66.0

D16 2.44 T16 3.8E-02 64.8

D17 1.52 T17 1.6E-02 95.9

D18 2.32 T18 2.3E-02 99.4


Confronti & Passi Successivi


Quadripode: VOLUME = 116 [m3] PESO = 904 [t] D max = 5 [m]

Monopila: VOLUME = 304 [m3] PESO = 2377 [t] D max = 9 [m]

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Passi Successivi


Modellazione per mezzo di elementi bidimensionali

per la valutazione fenomeni di instabilità locale

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