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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

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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

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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

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Introdução – Testes em Diferentes Escalas

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• 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

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• 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

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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

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Porque usar DIC?

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O que é DIC?

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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

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Princípio da Medição Óptica 3D - DIC

Correlação Digital de Imagem (DIC)

Preparo do corpo de prova

Aquisição de Imagens

∙ Imagem de referência

∙ Aquisição de imagens durante o teste

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Princípio da Medição Óptica 3D - DIC

Correlação Digital de Imagem (DIC)

Preparo do corpo de prova

Aquisição de Imagens

∙ Imagem de referência

∙ Aquisição de imagens durante o teste

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Princípio da Medição Óptica 3D - DIC

Correlação Digital de Imagem (DIC)

Preparo do corpo de prova

Aquisição de Imagens

Processamento de Imagem

• Reconhecimento do padrão usando Correlação digital de Imagem

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Princípio da Medição Óptica 3D - DIC

Correlação Digital de Imagem (DIC)

Preparo do corpo de prova

Aquisição de Imagens

Processamento de Imagem

Coordenadas 3D

• Orientação de imagens baseadas no centro das Facetas

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13Tecnologias 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

Processamento de Imagem

Coordenadas 3D

Velocidades e deformações em 3D

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Princípio da Medição Óptica 3D - DIC

Correlação Digital de Imagen (DIC)

Preparo do corpo de prova

Aquisição de Imagens

Processamento de Imagem

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

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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?

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Porque usar DIC?

Main spar(load carrying box)

Aerodynamicshell

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Towards tip

Downwind side

Trailing edge

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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

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Aplicações Típicas

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* Fonte: DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

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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

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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

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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

teste

• Fácil e rápida validação dos modelos numéricos (FEM)

Porque usar DIC?

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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?

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Porque usar DIC?

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Núcleo de Pá de Turbina

• Componente em Fibra de Vidro

• Comprimento: 34m

• ARAMIS área 3x3x3 m³

Testes em Pás

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Núcleo de Pá de Turbina

• Sistema de Coordenadas alinhado com os dados CAD importados.

Testes em Pás

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Núcleo de Pá de Turbina

• Verificação e Melhora da Simulação Numérica

Testes em Pás

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Núcleo de Pá de Turbina

• Comprimento: 34m

• Verificação e Melhora da Simulação Numérica

Testes em Pás

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Testes Dinâmicos em Protótipos

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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

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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

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

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De Sensores atuais a Videogrametria

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De Sensores atuais a Videogrametria

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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

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Setup de Medição

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Integração Metrologia Óptica em testes de Produto / Protótipo

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Integração Metrologia Óptica em testes de Produto / Protótipo

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Integração Metrologia Óptica em testes de Produto / Protótipo

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Resultados

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Deslocamento Freio Acionado

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Deslocamento Freio Acionado

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ODS:

Movimento

forcado de dois

ou mais pontos

da estrutura

Visível

composição de

frequências

Inicio de falha da grade - Torre

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Deflexão no Plano, Parada

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Deflexão da Torre, final de falha na grade

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Deflexão fora do plano em um hélice rodando

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Conclusões

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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...

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