Desarrollo e implementación de una herramienta para la optimización cimentaciones de aerogeneradores basada en simulación numérica y algoritmos genéticos

Abstract

[ES] La cimentación de un aerogenerador es uno de los componentes que lleva asociada una parte significativa de los costes de construcción del mismo, tanto por los materiales que la componen como de las labores de movimientos de tierra previas que se deben realizar. Es por ello que, resulta imprescindible la obtención de un mínimo coste cumpliendo en todo momento con las especificaciones mínimas de seguridad. Para lograr tal objetivo, el presente proyecto buscará obtener una cimentación que minimice los costes de construcción, con la variación de los diferentes parámetros geométricos que la definen: diámetros de las bases, espesores, diámetro y distribución de las armaduras, etc. La metodología empleada para ello estará basada en el campo de la simulación numérica, usando tanto dinámica de fluidos computacional como análisis por elementos finitos. En primer lugar, se realizará un modelo CAD del aerogenerador completo para llevar a cabo un análisis CFD mediante Ansys Fluent. El objetivo de este análisis será obtener las cargas a las que el aerogenerador está sometido en la zona cercana a la cimentación, para diferentes condiciones de entrada en el rango de operación del mismo. Una vez se obtengan las condiciones donde el dispositivo está más solicitado desde el punto de vista estructural, se realizará un modelo de elementos finitos del mismo en Ansys APDL, que tenga en cuenta todos los parámetros que se requieran optimizar para obtener una solución que minimice los costes. Esta simulación tendrá como objetivo comprobar los límites normativos de los materiales empleados para garantizar la integridad de la estructura, por lo que se deberá realizar un proceso iterativo para encontrar la solución más adecuada. El proceso de optimización se llevará a cabo mediante un algoritmo genético. Este tipo de algoritmo, basado en la teoría de la evolución, permite obtener una solución óptima o casi óptima para problemas de alta complejidad, donde intervienen muchos grados de libertad. El proceso será controlado mediante el software MATLAB siendo éste el encargado de generar y lanzar los modelos de elementos finitos necesarios para optimizar la solución. Tras la aplicación del algoritmo, se tendrá como solución una cimentación para aerogenerador que sea viable desde el punto de vista estructural y tenga un óptimo coste.

[CA] La cimentació d’un aerogenerador és un dels components que porta associat una part important del cost de construcció, tant pels materials que la composen com pels treballs de moviments de terra previs que s’han de realitzar. És per això que, es necessari obtindre un cost mínim complint en qualsevol moment amb les especificacions mínimes de seguretat. Per a aconseguir-ho, aquest projecte buscarà obtindre una cimentació que faça el cost de construcció mínim, amb la variació dels diversos paràmetres geomètrics que defineixen la cimentació: diàmetre de les bases, espessors i distribució de les armadures. La metodologia utilitzada ha estat basada en el camp de la simulació numèrica, tant dinàmica de fluids computacional com anàlisi per elements finits. Primerament, es realitzarà un model CAD de l’aerogenerador complet per a després fer un anàlisi CFD mitjançant ANSYS Fluent. L’objectiu d’aquesta anàlisi será l’obtenció de les càrregues a les quals l’aerogenerador està sotmés en la zona propera a la cimentació per a unes condicions d’entrada on el dispositiu estiga molt sol·licitat estructuralment. Una vegada obtingudes les càrregues, es realitzarà un model d’elements finits en ANSYS Mechanical APDL, que tinga en compte tots els paràmetres necessaris per a obtindre una solució de mínim cost. Aquesta simulació tindrà l’objectiu de comprovar els límits normatius dels materials utilitzats per a no posar en perill la integritat de l’estructura. Per tant, s’haurà de fer un procés iteratiu per a trobar la solució més correcta. El procés d’optimització serà conduït per un algoritme genètic. Aquest tipus d’algoritme, basat en la teoria de l’evolució, permet obtindre una solució òptima o quasi òptima per a problemes de complexitat alta, on intervenen molts graus de llibertat. El procés estarà controlat pel software MATLAB, qui serà l’encarregat de generar i llançar els models d’elements finits necessaris per a optimitzar la solució. Després de l’aplicació de l’algoritme, es tindrà com a solució una cimentació que siga viable des del punt de vista estructural i amb un cost òptim.

[CA] The foundation of a wind turbine is one of the components associated with a significant part of its construction costs due to the materials that compose it and the previous earthworks that must be carried out. That is why it is essential to obtain minimum expenses and comply with the minimum safety specifications. To achieve this objective, this project will seek to obtain a foundation that minimizes construction costs, with the variation of the different geometric parameters that define it: diameters of the bases, thicknesses, and distribution of the reinforcements. The methodology will be based on the field of numerical simulation, using both computational fluid dynamics and finite element analysis. First, a complete wind turbine CAD model will be made to conduct a CFD analysis using ANSYS Fluent. This analysis aims to obtain the loads near the foundation for input conditions near the cut-off point. Once these loads have been obtained, a finite element model will be created in ANSYS Mechanical APDL, which will consider all the parameters that need to be optimized to get a solution that minimizes costs. This simulation will aim to check the regulatory limits of the materials used to guarantee the structure’s integrity, so an iterative process must be carried out to find the most appropriate solution. The optimization process will be controlled using a genetic algorithm. Based on the theory of evolution, this type of algorithm allows obtaining an optimal or almost optimal solution for highly complex problems, where many degrees of freedom are involved. The process will be conducted by the software MATLAB, which is in charge of generating and launching the finite element models necessary to optimize the solution. After applying the algorithm, the result will be a foundation for a viable wind turbine from the structural point of view having an optimal cost.