Controle das vibrações não lineares do sistema acoplado torre eólica-pás
| Ano de defesa: | 2021 |
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Universidade Federal de Goiás
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Programa de Pós-graduação em Geotecnia, Estruturas e Construção Civil (EEC)
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| Departamento: |
Escola de Engenharia Civil e Ambiental - EECA (RG)
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Resumo: | Slender structures, such as wind towers, are very flexible and can undergo large displacements when subjected to external loads, considering the occurrence of coupling between tower and blades. An important way to reduce these excessive vibrations is to apply structural control. In this work, the structural control of a coupled wind tower–blade system subjected to external lateral loads and rotating blade is studied. To model the tower and blade, the nonlinear Euler-Bernoulli beam theory and the linear Euler-Bernoulli beam, respectively, are considered, and the structural control device considered is an inverted pendulum tuned mass damper, located at the top of the tower. The Rayleigh-Ritz method, together with Hamilton principle, is applied to obtain a set of nonlinear ordinary differential equations of motion which are, in turn, solved by the Runge-Kutta method. First, the dynamic instability is studied from the variation of the natural frequency with respect to the speed of rotation of the blade, where it is possible to observe the phenomenon of veering. In addition, the time response in resonance situations is obtained, as well as the optimum parameters of the mass damper tuned as an inverted pendulum. Next, a nonlinear dynamic analysis is performed to evaluate the influence of the tuned mass damper in the nonlinear regime, by obtaining the resonance curves, Poincaré sections and basins of attraction. The results demonstrate a good performance of the structural control in the dynamic behavior of the system. |
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In this work, the structural control of a coupled wind tower–blade system subjected to external lateral loads and rotating blade is studied. To model the tower and blade, the nonlinear Euler-Bernoulli beam theory and the linear Euler-Bernoulli beam, respectively, are considered, and the structural control device considered is an inverted pendulum tuned mass damper, located at the top of the tower. The Rayleigh-Ritz method, together with Hamilton principle, is applied to obtain a set of nonlinear ordinary differential equations of motion which are, in turn, solved by the Runge-Kutta method. First, the dynamic instability is studied from the variation of the natural frequency with respect to the speed of rotation of the blade, where it is possible to observe the phenomenon of veering. In addition, the time response in resonance situations is obtained, as well as the optimum parameters of the mass damper tuned as an inverted pendulum. Next, a nonlinear dynamic analysis is performed to evaluate the influence of the tuned mass damper in the nonlinear regime, by obtaining the resonance curves, Poincaré sections and basins of attraction. The results demonstrate a good performance of the structural control in the dynamic behavior of the system.Estruturas esbeltas, como torres eólicas, são muito flexíveis e podem sofrer grandes deslocamentos quando submetidas a forças externas ainda mais quando se considera a ocorrência de acoplamento entre torre e pás. Uma maneira eficiente para a redução dessas vibrações excessivas é a aplicação do controle estrutural. Neste trabalho, é estudado o controle estrutural do sistema da torre eólica-pá acoplada submetida a cargas laterais externas considerando-se a pá rotativa. Para modelar a torre e a pá, a teoria não linear de vigas de Euler-Bernoulli, bem como a teoria linear são consideradas, e o dispositivo de controle estrutural utilizado é um amortecedor de massa sintonizado na forma de um pêndulo invertido, localizado na parte superior da torre. O método Rayleigh-Ritz, juntamente com o princípio de Hamilton, são aplicados para obter um conjunto de equações diferenciais ordinárias de movimento que, por sua vez, são solucionadas através do método Runge-Kutta. Primeiramente, a instabilidade dinâmica é estudada a partir da variação da frequência natural com a velocidade de rotação da pá, onde é possível observar o fenômeno de veering. Além disso, são obtidas a resposta no tempo em situações de ressonância, e também os parâmetros ótimos do amortecedor de massa sintonizado como pêndulo invertido. A seguir, uma análise dinâmica não linear é realizada visando avaliar a influência do amortecedor de massa sintonizado no regime não linear, através da obtenção das curvas de ressonância, seções de Poincaré e bacias de atração. Os resultados demonstram bom desempenho do controle estrutural no comportamento dinâmico do sistema.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESporUniversidade Federal de GoiásPrograma de Pós-graduação em Geotecnia, Estruturas e Construção Civil (EEC)UFGBrasilEscola de Engenharia Civil e Ambiental - EECA (RG)Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessControle estruturalAmortecedor de massa sintonizadoPêndulo invertidoTorres eólicasInstabilidade dinâmicaStructural controlTuned mass damperInverted pendulumWind towersDynamic instabilityENGENHARIASControle das vibrações não lineares do sistema acoplado torre eólica-pásNonlinear vibration control of coupled wind tower-blade systeminfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis6150050050050034841reponame:Repositório Institucional da UFGinstname:Universidade Federal de Goiás (UFG)instacron:UFGLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.bc.ufg.br/tede/bitstreams/05b458bc-65aa-45f7-8b87-6123decefbbf/download8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8805http://repositorio.bc.ufg.br/tede/bitstreams/0ebcea2e-25fb-49cf-9b7c-6f305c9ad651/download4460e5956bc1d1639be9ae6146a50347MD52ORIGINALDissertação - Yuri Luiz Dias Martins - 2021.pdfDissertação - Yuri Luiz Dias Martins - 2021.pdfapplication/pdf8393779http://repositorio.bc.ufg.br/tede/bitstreams/2727158b-78fd-4656-97bc-7ed5dfbaa377/download220b000face067dd51587a77d115ce36MD53tede/113592021-05-11 07:43:24.384http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalopen.accessoai:repositorio.bc.ufg.br:tede/11359http://repositorio.bc.ufg.br/tedeRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.bc.ufg.br/tedeserver/oai/requestgrt.bc@ufg.bropendoar:oai:repositorio.bc.ufg.br:tede/12342021-05-11T10:43:24Repositório Institucional da UFG - Universidade Federal de Goiás (UFG)falseTk9URTogUExBQ0UgWU9VUiBPV04gTElDRU5TRSBIRVJFClRoaXMgc2FtcGxlIGxpY2Vuc2UgaXMgcHJvdmlkZWQgZm9yIGluZm9ybWF0aW9uYWwgcHVycG9zZXMgb25seS4KCk5PTi1FWENMVVNJVkUgRElTVFJJQlVUSU9OIExJQ0VOU0UKCkJ5IHNpZ25pbmcgYW5kIHN1Ym1pdHRpbmcgdGhpcyBsaWNlbnNlLCB5b3UgKHRoZSBhdXRob3Iocykgb3IgY29weXJpZ2h0Cm93bmVyKSBncmFudHMgdG8gRFNwYWNlIFVuaXZlcnNpdHkgKERTVSkgdGhlIG5vbi1leGNsdXNpdmUgcmlnaHQgdG8gcmVwcm9kdWNlLAp0cmFuc2xhdGUgKGFzIGRlZmluZWQgYmVsb3cpLCBhbmQvb3IgZGlzdHJpYnV0ZSB5b3VyIHN1Ym1pc3Npb24gKGluY2x1ZGluZwp0aGUgYWJzdHJhY3QpIHdvcmxkd2lkZSBpbiBwcmludCBhbmQgZWxlY3Ryb25pYyBmb3JtYXQgYW5kIGluIGFueSBtZWRpdW0sCmluY2x1ZGluZyBidXQgbm90IGxpbWl0ZWQgdG8gYXVkaW8gb3IgdmlkZW8uCgpZb3UgYWdyZWUgdGhhdCBEU1UgbWF5LCB3aXRob3V0IGNoYW5naW5nIHRoZSBjb250ZW50LCB0cmFuc2xhdGUgdGhlCnN1Ym1pc3Npb24gdG8gYW55IG1lZGl1bSBvciBmb3JtYXQgZm9yIHRoZSBwdXJwb3NlIG9mIHByZXNlcnZhdGlvbi4KCllvdSBhbHNvIGFncmVlIHRoYXQgRFNVIG1heSBrZWVwIG1vcmUgdGhhbiBvbmUgY29weSBvZiB0aGlzIHN1Ym1pc3Npb24gZm9yCnB1cnBvc2VzIG9mIHNlY3VyaXR5LCBiYWNrLXVwIGFuZCBwcmVzZXJ2YXRpb24uCgpZb3UgcmVwcmVzZW50IHRoYXQgdGhlIHN1Ym1pc3Npb24gaXMgeW91ciBvcmlnaW5hbCB3b3JrLCBhbmQgdGhhdCB5b3UgaGF2ZQp0aGUgcmlnaHQgdG8gZ3JhbnQgdGhlIHJpZ2h0cyBjb250YWluZWQgaW4gdGhpcyBsaWNlbnNlLiBZb3UgYWxzbyByZXByZXNlbnQKdGhhdCB5b3VyIHN1Ym1pc3Npb24gZG9lcyBub3QsIHRvIHRoZSBiZXN0IG9mIHlvdXIga25vd2xlZGdlLCBpbmZyaW5nZSB1cG9uCmFueW9uZSdzIGNvcHlyaWdodC4KCklmIHRoZSBzdWJtaXNzaW9uIGNvbnRhaW5zIG1hdGVyaWFsIGZvciB3aGljaCB5b3UgZG8gbm90IGhvbGQgY29weXJpZ2h0LAp5b3UgcmVwcmVzZW50IHRoYXQgeW91IGhhdmUgb2J0YWluZWQgdGhlIHVucmVzdHJpY3RlZCBwZXJtaXNzaW9uIG9mIHRoZQpjb3B5cmlnaHQgb3duZXIgdG8gZ3JhbnQgRFNVIHRoZSByaWdodHMgcmVxdWlyZWQgYnkgdGhpcyBsaWNlbnNlLCBhbmQgdGhhdApzdWNoIHRoaXJkLXBhcnR5IG93bmVkIG1hdGVyaWFsIGlzIGNsZWFybHkgaWRlbnRpZmllZCBhbmQgYWNrbm93bGVkZ2VkCndpdGhpbiB0aGUgdGV4dCBvciBjb250ZW50IG9mIHRoZSBzdWJtaXNzaW9uLgoKSUYgVEhFIFNVQk1JU1NJT04gSVMgQkFTRUQgVVBPTiBXT1JLIFRIQVQgSEFTIEJFRU4gU1BPTlNPUkVEIE9SIFNVUFBPUlRFRApCWSBBTiBBR0VOQ1kgT1IgT1JHQU5JWkFUSU9OIE9USEVSIFRIQU4gRFNVLCBZT1UgUkVQUkVTRU5UIFRIQVQgWU9VIEhBVkUKRlVMRklMTEVEIEFOWSBSSUdIVCBPRiBSRVZJRVcgT1IgT1RIRVIgT0JMSUdBVElPTlMgUkVRVUlSRUQgQlkgU1VDSApDT05UUkFDVCBPUiBBR1JFRU1FTlQuCgpEU1Ugd2lsbCBjbGVhcmx5IGlkZW50aWZ5IHlvdXIgbmFtZShzKSBhcyB0aGUgYXV0aG9yKHMpIG9yIG93bmVyKHMpIG9mIHRoZQpzdWJtaXNzaW9uLCBhbmQgd2lsbCBub3QgbWFrZSBhbnkgYWx0ZXJhdGlvbiwgb3RoZXIgdGhhbiBhcyBhbGxvd2VkIGJ5IHRoaXMKbGljZW5zZSwgdG8geW91ciBzdWJtaXNzaW9uLgo= |
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