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 Arangio Ing. Francesco Petrini

Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore Indice 1/28 PARTE I: Concetti di base PARTE II: Il caso delle Turbine eoliche offshore PARTE III: Applicazione progettuale

Concetti di base:Ottimizzazione Metodi del primo ordine Metodi di ordine zero Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 2/28 Elementi del problema Metodi Formulazione generale Variabili di Progetto Condizioni di Vincolo Funzione Obiettivo

Concetti di base:Strumenti Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 3/28

Algoritmo del primo ordine in ANSYS Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore Q(x,q) = Funzione obiettivo adimensionalizzata del problema non vincolato P x ,P g ,P h = Funzioni Barriera per le variabili e i vincoli del problema 4/28 Funzione obiettivo ( penalty function )               m 1 i i g n 1 i i x 0 g P q x P q , x Q f f Gradiente ( steepest descend method ) gradiente della funzione obiettivo Q( x ,q) passo, dipende da parametri inseriti dall’utente

Il caso delle turbine eoliche offshore Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 5/28

Il caso delle turbine eoliche offshore Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 6/28 Tipologie

Descrizione della struttura: Monopila Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 7/28 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 X LOAD CASE 2: DEAD LOAD + WIND D + WAVE X LAOD CASE 3: DEAD LOAD + WIND X + WAVE Y LAOD CASE 4: DEAD LOAD + WIND X + WAVE D Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 8/28

Discretizzazione 20 parametri dimensionali 6 variabili principali 14 variabili secondarie Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 9/28 !*******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 !************************************************************ Interpolazione Lineare

Vincoli dell’ottimizzazione Spostamento massimo δ max < L/100 Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 10/28 Vincoli di Rigidezza Rapporto massimo d/t<100 Vincoli Tensionali σ Von Mises < f yd f yd =355/1.15 N/mm 2 σ Compressione < f ycd f ycd =355/1.7 N/mm 2

Processo di ottimizzazione Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 11/28

Processo di ottimizzazione Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 12/28 Variabili principali

Processo di ottimizzazione Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 13/28 Vincoli

Processo di ottimizzazione Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 14/28 Vincoli

Processo di ottimizzazione Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 15/28 Funzione Obiettivo

Sensitivity study Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 16/28 Variazione della funzione Volume dovute ad una variazione del +1% delle dv DV's Δvolume [m 3 ] Volume di riferimento [m 3 ] 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 Dispalcement dovute 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 Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 17/28 “ 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 Minimizzare: Con: Minimizzare: Con:

Costruzione della superficie di Pareto Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 18/28

Costruzione della superficie di Pareto INTERPOLAZIONE POLINOMIALE Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 19/28

Risultati VOLUME=304.82 [m3] Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 20/28 D1=9.02601543 D2=8.66112225 D3=8.29622906 D4=7.93133588 D5=7.56644270 D6=7.20154952 D7=6.83665634 D8=6.47176315 D9=6.16996857 D10=5.86817399 D11=5.56637940 D12=5.26458482 D13=4.96279024 D14=4.66099565 D15=3.85086207 D16=3.04072849 D17=2.23059491 T1=0.156044224 T2=0.117693629 T3=9.976363548E-02 K1=57.8426755 (CLASSE III) K2=54.9882198 (CLASSE III) K3=46.7203870 (CLASSE III~II)

Descrizione del modello: Quadripode Vincolo: Moltiplicatore Ultimo Euleriano < 5 Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 21/28 21.5 oltre 32 m 16 da 24 a 32 m 10 da 16 a 24 m 6 da 8 a 16 m 3 fino a 8 m Modulo di Young E [N/mm 2 ] Profondità [m] Interazione Terreno Struttura

Substructuring Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 22/28

Dead Load – σ z [Pa] Espansione della soluzione Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore Wind x – σ z [Pa] 25/28

Configurazione ottimizzata VOLUME=116 [m3] Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore 26/28 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 Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore Monopila: VOLUME = 304 [m3] PESO = 2377 [t] D max = 9 [m] 27/28 Quadripode: VOLUME = 116 [m3] PESO = 904 [t] D max = 5 [m]

Passi Successivi Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore Modellazione per mezzo di elementi bidimensionali per la valutazione fenomeni di instabilità locale 28/28

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