Otimização topológica aplicada ao projeto preliminar do cubo de turbinas eólicas de eixo horizontal. - Fiuza, Marcos Flávio Fernandes (2024)
Os avanços tecnológicos na engenharia têm conduzido a projetos de turbinas eólicas cada vez maiores e com maior aproveitamento energético do local onde estão instaladas. Cada máquina, entretanto, necessita de um projeto específico de cubo, já que os carregamentos sobre estes componentes não crescem de forma linear com o diâmetro do rotor. Por outro lado, o uso de métodos de otimização topológica pode auxiliar na concepção destes componentes. Neste contexto, este trabalho propõe desenvolver uma ferramenta exploratória para o projeto preliminar de um cubo utilizando estes métodos de otimização. Um dos principais mecanismos de falha do cubo ocorre por meio da fadiga mecânica. Estes componentes estão sujeitos a um vasto espectro de carregamentos formado por ciclos de alta e baixa amplitude que contribuem para o dano à fadiga e são experimentalmente relacionados por uma curva logarítmica. No trabalho, após ampla revisão bibliográfica destes temas, os carregamentos são determinados por meio do programa de simulação aeroelástica OpenFAST e são pós-processados no programa MLife, o qual estima as cargas ao longo da vida operacional da máquina. Estes carregamentos são então utilizados como variáveis de entrada na otimização topológica do componente, que consiste em minimizar a flexibilidade da estrutura sujeita a restrições de volume. A implementação foi feita utilizando o framework PETSc e aplicação do método dos elementos finitos com uma malha estruturada de elementos prismáticos de base triangular, que preenchem completamente todo o domínio de otimização e mantém suas faces paralelas aos mancais das pás e às condições de contorno. Um primeiro resultado da análise foi a identificação das direções de maior esforço mecânico, que são dominadas pelo momento fletor na raiz das pás. Na otimização, o efeito do filtro de homogeneização foi avaliado, assim como a restrição de volume imposta. As estruturas obtidas indicam as regiões mais significativas para a composição da rigidez do componente, servindo de base para um projeto subsequente mais detalhado. Esta ferramenta exploratória pode contribuir para o desenvolvimento de projetos de cubos otimizados, resultando em turbinas eólicas mais eficientes e economicamente viáveis.