OWT optimization
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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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore3/28
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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore
•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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore5/28
Il caso delle turbine eoliche offshore
Tipologie
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore6/28
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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore7/28
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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore8/28
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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore9/28
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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore10/28
Processo di ottimizzazione
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore11/28
Processo di ottimizzazione
Variabili principali
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore12/28
Processo di ottimizzazione
Vincoli
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore13/28
Processo di ottimizzazione
Vincoli
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore14/28
Processo di ottimizzazione
Funzione Obiettivo
q,QQq,Q p xxx f
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore15/28
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
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore16/28
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:
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Costruzione della superficie di Pareto
100
90
80
70
60
50
L
L
L
L
L
L
DispMax
100
90
80
70
60
50
td
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Costruzione della superficie di Pareto
22 xexdycxbaz
INTERPOLAZIONE POLINOMIALE
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore19/28
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]
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore20/28
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
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Substructuring
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore22/28
Processo di ottimizzazione
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Processo di ottimizzazione
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore24/28
Dead Load – σz [Pa]
Espansione della soluzione
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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
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Confronti & Passi Successivi
Mario Torcinaro Ottimizzazione della struttura di supporto per una turbina eolica offshore
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
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
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