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Title in Portuguese: Otimização de torres de aço para geradores eólicos
Title: Eolic steel towers optimization
Author: Feijó, Bruno Pinho
Advisor(s): Melo, Antônio Macário Cartaxo de
Co-advisor(s): Parente Junior, Evandro
Keywords: Engenharia de estruturas
Otimização estrutural
Computação evolutiva
Algoritmos genéticos
Energia - Fontes alternativas
Issue Date: 2010
Citation: FEIJÓ, B. P. Otimização de torres de aço para geradores eólicos. 2010. 85 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Estruturas e Construção Civil)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2010.
Abstract in Portuguese: Diversas formas de geração de energia vêm sendo desenvolvidas com o intuito de oferecer alternativas ecologicamente corretas. Na região Nordeste do Brasil e principalmente no Estado do Ceará, a energia eólica vem se destacando devido ao grande potencial dos ventos da região. Para aumentar a potência gerada, torres cada vez mais altas têm sido usadas em busca de ventos mais fortes. Vale ressaltar que o custo das torres, geralmente fabricados em aço, representa parcela importante (20 a 30%) do custo total do sistema de geração eólico. Este trabalho apresenta duas formulações para a otimização do projeto de torres tubulares para geradores eólicos de aço. A primeira considera uma torre de aço cilíndrica prismática, onde foi modelada segundo a teoria de viga clássica de Euler-Bernoulli. A segunda formulação considera uma torre, composta de segmentos de troncos de cone, onde foram utilizados para análise por elementos finitos clássicos de pórtico plano. As variáveis de projeto que definem as estruturas são os diâmetros representativos dos segmentos e as suas espessuras. Na torre cilíndrica este diâmetro é único. O custo mínimo é procurado minimizando-se o peso da torre. As restrições dizem respeito ao comportamento estrutural (rigidez, resistência e estabilidade de acordo com recomendações de normas) e ao processo de fabricação e transporte. O processo de fabricação confere aos diâmetros representativos de cada segmento uma natureza contínua, e em conseqüência da disponibilidade comercial, as espessuras das chapas possuem natureza discreta. As restrições relativas à verificação da segurança segundo as normas apresentam pontos com descontinuidades nas funções e nas suas derivadas. Estes dois aspectos, que dificultam a solução do problema pelos métodos clássicos de Programação Matemática, têm sido adequadamente tratados por algoritmos baseados na simulação do processo de evolução de Darwin e em princípios da genética, os chamados Algoritmos Genéticos (AG’s). Assim, algumas aplicações da formulação são feitas e soluções são obtidas usando AG’s. Os resultados obtidos são comparados com soluções da literatura e soluções ótimas são verificadas por meios de modelos de elementos finitos de cascas usando o software ABAQUS.
Abstract: Different forms of energy generation have been developed with the intention of offering environmentally friendly alternatives. In the Northeast region of Brazil and especially in the state of Ceará, wind energy has been increasing due to the large potential of wind in the region. To increase the power, increasingly high towers have been used to capture stronger winds. It is noteworthy that the cost of towers, generally made of steel, represents significant portion (20-30%) of the total wind power generation system costs. This work presents two approaches for optimizing the design of tubular towers for wind steel generators. The first considers a prismatic cylindrical steel tower, which is modeled by means of the classical Euler-Bernoulli’s beam theory. The second formulation considers a tower composed of segments of the trunks of cone. The analysis was run by finite element analysis. The design variables that define the structures are the diameters of representative segments and their thicknesses. In the prismatic cylindrical tower, this diameter is unique. The minimum cost is searched by minimizing the weight of the tower. Constraints related to the structural behavior (stiffness, strength and stability in accordance with recommendations of standards) and the manufacturing process and transportation are considered. The manufacturing process gives the diameters of each segment representing a continuous nature, and as a result of commercial availability, the thicknesses of the plates have a discrete nature. The constraints to ensure the safety of the structure followed the standards recommendations. They presented discontinuities in their functions and their derivatives. The discrete nature and the discontinuities hinder the solution of the problem by classical methods of mathematical programming. So, they had been adequately addressed by algorithms based on simulation of the process of Darwinian evolution and principles of genetics, called Genetic Algorithms (GA). Thus, some applications of the formulation are made and solutions are obtained using GA’s. The results are compared with solutions from literature, and the optimum solutions obtained are verified by shell finite elements models using the software ABAQUS.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/4745
metadata.dc.type: Dissertação
Appears in Collections:DECC - Dissertações defendidas na UFC

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