Tecnologias de Metrologia Óptica Aplicadas ao Projeto e ... · Aplicadas ao Projeto e...
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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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9Tecnologias 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
∙ Imagem de referência
∙ Aquisição de imagens durante o teste
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10Tecnologias 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
∙ Imagem de referência
∙ Aquisição de imagens durante o teste
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11Tecnologias 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
• Reconhecimento do padrão usando Correlação digital de Imagem
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12Tecnologias 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
• 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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14Tecnologias 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 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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B
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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@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
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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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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
Tecnologias de Metrologia Óptica Aplicadas ao Projeto e Desenvolvimento Dr. Eng. Vicente M. Massaroti Vtech Consulting Ltda.
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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Obrigado por sua Atenção!!!
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