Tecnologias de Metrologia Óptica Aplicadas ao Projeto e ... · Aplicadas ao Projeto e...

Geradores de Energia Eólica:

Tecnologias para projeto, controle, fabricação e instalação

Dr. Eng. Vicente M. Massaroti| Outubro, 2017

Tecnologias de Metrologia Óptica Aplicadas ao Projeto e Desenvolvimento

Sumário

Tecnologias de Metrologia Óptica Aplicadas ao Projeto e Desenvolvimento Dr. Eng. Vicente M. Massaroti Vtech Consulting Ltda.

• Introdução

• Aplicações de Teste de Materiais em Geradores Eólicos

• Aplicações de Teste de Componentes em Geradores Eólicos

• Porque usar DIC?

• Princípio da Medição Óptica 3D – DIC

• Verificação da Simulação Numérica

• Exemplos

• Conclusão

Introdução – Testes em Diferentes Escalas

• Desenvolvimento de grandes laminas exige pesquisa em todos o campo de escalas de maneira a compreender o comportamento dos

materiais e da estrutura

• Mais usual pesquisa em microescala e escala de laminação

• Grande meta: Full Scale ou Escala Estrutural

• Testes em sub esturras e a maneira intermediaria onde somente parte da estrutura e testada, (não é teste em escala)

Escala de comprimento (m)

Escala micro Escala Laminação Escala Sub Estrutural Escala Estrutural

• Testes de Materiais:

• Normalmente GFRP ou CFRP UD ou camadas multi-axiais e vários tipos de materiais espumados para as pás.

• Metais e ligas de alumínio para a torre e nacelle;

• Testes estáticos de tração/ compressão, cisalhamento para determinar os parâmetros de rigidez e resistência

• Vários testes de fadiga para determinar da/dN e curvas SN

• Testes de fratura interlaminar para materiais laminados e sandwich

• Quase sempre testes ocorrem em maquinas de testes ou em dispositivos especiais de teste de fratura

Aplicações de Teste de Materiais em Geradores Eólicos

Teste de componente:

• Amplo espectro de subcomponentes estruturais em materiais metálicos e compósitos

• Painéis de compósito planos e curvos

• Junções com as pás

• Detalhes estruturais da torre

• Componentes usinados da nacelle

• Etc.

• Testes de fadiga e estáticos para determinar tolerância a dano e tempo remanescente de vida

• Testes executados em maquinas de teste ou dispositivos especiais

• Tipicamente os testes são comparados com modelos numéricos que foram validados contra testes

experimentais

Aplicações de Teste de Componentes em Geradores Eólicos

Porque usar DIC?

O que é DIC?

8Tecnologias de Metrologia Óptica Aplicadas ao Projeto e Desenvolvimento Dr. Eng. Vicente M. Massaroti Vtech Consulting Ltda.

Princípio da Medição Óptica 3D - DIC

Correlação Digital de Imagem (DIC)

Preparo do corpo de prova

Aquisição de Imagens

• Uma imagem do corpo de prova antes que o teste inicie para que seja referência no cálculo das deformações

• Esta imagem pode ser entendida como deformações e calibração de tensões

∙ Imagem de referência

∙ Aquisição de imagens durante o teste

∙ Imagem de referência

∙ Aquisição de imagens durante o teste

Processamento de Imagem

• Reconhecimento do padrão usando Correlação digital de Imagem

Coordenadas 3D

• Orientação de imagens baseadas no centro das Facetas

Coordenadas 3D

Velocidades e deformações em 3D

Correlação Digital de Imagen (DIC)

Coordenadas 3D

Velocidades e deformações em 3D

Análises de deformação

∙ Major Strain Minor Strain

∙ Deformação específica em X e Y, Angulo de Cisalhamento

∙ Redução de espessura

∙ Taxa de deformação para todas as medições

Testes de Materiais:

• Comumente medições por contato são difíceis em polímeros reforçados e especialmente materiais espumados.

• DIC oferece uma visão única e detalhada dos efeitos de campo complete durante o teste

• Fácil acesso a medições multidirecionais em espécimes de superfície

• Fácil medição de deslocamento durante testes de fratura

• Eventos de fratura e falhas podem ser caracterizados em detalhes usando DIC em alta velocidade;

Porque usar DIC?

Main spar(load carrying box)

Aerodynamicshell

Towards tip

Downwind side

Trailing edge

Leading edge

Upwind side

Testes de Componentes:

• Frequentemente medição por contato é difícil em componentes de compósitos;

• DIC oferece uma visão única, e de campo completo dos efeitos e comportamentos

do material/espécime durante os testes;

• Validação fácil e abrangente dos modelos numéricos (FEM)

• Falhas de componentes pode ser caracterizada em detalhes usando DIC de alta

velocidade

Aplicações Típicas

* Fonte: DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Testes em sub estruturas:

• Uma secção ou parte da estrutura é removida da estrutura é testada em separado

• Arranjos de teste e setups são mais simples

• Carregamentos podem ser simples ou multi-axiais

• Testes Híbridos em sub estruturas:

• A sub estrutura (ou componente) é testado com um modelo numérico online da estrutura completa

• A carga aplicada é gerada baseada na analise em tempo real da estrutura completa com carga real

• Feedback online entre a sub estrutura testada e a estrutura virtual

Testes de Sub estruturas para Aplicações em Geradores Eólicos

Testes em Escala Real:

• A estrutura completa e testada, p.e. pá de turbina;

• Setup longo, difícil e caro;

• Aquisição de dados complexa (usando métodos convencionais);

• Usualmente verifica carregamentos simples

• Entretanto, comumente utilizados para certificação de pás;

• Usualmente testes de Resistencia e fadiga usando ciclagem acelerada;

Testes em Escala Real para Aplicações em Geradores Eólicos

Testes em Sub estruturas:

• De maneira a se obter uma visão detalhada do comportamento, uma rede de

transdutores convencionais e necessária;

• DIC oferece uma visão única e detalhada dos efeitos de campo complete durante o

• Fácil e rápida validação dos modelos numéricos (FEM)

Porque usar DIC?

Testes em Escala Real:

Problemas similares ao teste em sub estruturas;

Comumente modos de falha são difíceis de prever em pás

DIC obtém dados não somente em posições pré-determinas com strain-gauges

Possibilidade única de comparar dados de testes com análises numéricas;

Efeitos das condições de teste com DIC

Porque usar DIC?

Núcleo de Pá de Turbina

• Componente em Fibra de Vidro

• Comprimento: 34m

• ARAMIS área 3x3x3 m³

Testes em Pás

• Sistema de Coordenadas alinhado com os dados CAD importados.

Testes em Pás

• Verificação e Melhora da Simulação Numérica

Testes em Pás

• Comprimento: 34m

• Verificação e Melhora da Simulação Numérica

Testes em Pás

Testes Dinâmicos em Protótipos

@risø dtu

Confiabilidade de uma estrutura durante o ciclo de vida:

Testes devem ser rápidos e mais fáceis em grandes turbinas

Melhorar a dinâmica estrutural, largura debanda e precisão dos dados de entrada

Turbinas Eólicas no estado de operação

OMA - Operational Modal Analysis

OMD - Operational Modal Deflections

ODS - Operational Deflection Shapes

Executar Setup de grandes volumes de medição facilmente

Comparar resultados com sensores atuais

Series com resposta no tempo e na frequência

Motivação e Objetivos

Confiabilidade de uma estrutura durante o ciclo de vida:

Testes devem ser rápidos e mais fáceis em grandes turbinas

Melhorar a dinâmica estrutural, largura debanda e precisão dos dados de entrada

Turbinas Eólicas no estado de operação

OMA - Operational Modal Analysis

OMD - Operational Modal Deflections

ODS - Operational Deflection Shapes

Executar Setup de grandes volumes de medição facilmente

Comparar resultados com sensores atuais

Series com resposta no tempo e na frequência

Motivação e Objetivos

De Sensores atuais a Videogrametria

Medição de Posição, Movimento, Deformação

Configuração (Sensor de Deslocamento): Configuração (Sensor de Deslocamento Optico):

Frame de referência

Não é mais necessário

Montagem do sensor

Medição dos pontos

Aquisição do Arquivo

Sistema de Medição Óptica

Setup de Medição

Integração Metrologia Óptica em testes de Produto / Protótipo

Resultados

Deslocamento Freio Acionado

Movimento

forcado de dois

ou mais pontos

da estrutura

Visível

composição de

frequências

Inicio de falha da grade - Torre

Deflexão no Plano, Parada

Deflexão da Torre, final de falha na grade

Deflexão fora do plano em um hélice rodando

Conclusões

Métodos Ópticos são bastante efetivos na determinação de características de projeto e testes de produtos em geradores eólicos

Pode-se verificar e acompanhar desde características de material ate o produto em si

O uso destas tecnologias esta mais e mais comum no setor de geração de energia, assim como em outros tantos setores...

www.vtech-br.com

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