A model for the aero‐hydro‐servo‐elastic analysis of floating offshore wind turbines based on a co‐rotational formulation

Abstract

(English) Nowadays, there is an increasing, despite reduced, number of models capable of performing fully coupled aerohydro‐servo‐elastic simulations in the time domain for the analysis of floating offshore wind turbines (FOWTs). Historically, in its beginnings, these models widely adopted rigid multibody systems (RMS) formulations to describe the global dynamics response of the complete system. However, their incapability to determine the internal stress‐strain state of hyperstatic components, in conjunction with the irruption of platform concepts with higher structural complexity, promoted the development of a second generation of models adopting flexible multibody systems (FMS) formulations. Whose main strategy, because they were fundamentally an evolution of the firsts, relied on describing the dynamic response of the flexible components by superimposing a first‐order deformational analysis over their spatial rigid‐body configuration. Nevertheless, because the industry has quickly trended in the last decades toward bigger and more powerful wind turbines, some components of the system have suffered from increasing slenderness and flexibility. As is the case of the rotor blades or the tower, which are starting to require the adoption of non‐linear analyses to assess their dynamic response and their internal stress state properly. In this context, there is an incipient but reduced number of models capable of performing fully coupled nonlinear dynamic structural analyses of FOWTs. However, they are mostly strictly restricted to one‐dimensional beam type elements, forcing the adoption of approximated local load mapping procedures during the detailed engineering design phase. For that reason, a new advanced fully coupled model based on the Finite Elements Method (FEM) is proposed in the present thesis. Its main advantages lie in the ability to perform non‐linear dynamic analyses in time domain of complex structural models composed of multiple finite elements of different nature. This feature allows a more precise definition of the real structural behaviour and, therefore, leads to more detailed internal stress‐strain state analyses without the need of adopting additional techniques. The underlying balance equations of the model have been derived based on the Element Independent Corotational (EICR) method, whose foundations were laid in the work developed by C. C. Rankin and F. A. Brogan in the 1980s and later readapted and improved by C.A. Felippa and B. Haugen in the 2000s. However, because it was initially mainly focused on non‐linear quasi‐static structural analysis, a detailed and consistent extension to non‐linear dynamics based on continuum mechanics theory has been developed in the framework of the present thesis research. To evaluate the performance of the proposed structural model, it has been verified based on a set of computational mechanics benchmarks available in the literature on non‐linear dynamics of flexible bodies. While the fully coupled aero‐hydro‐servo‐elastic model for the analysis of FOWTs has been validated based on the experimental data provided in the framework of the Offshore Code Comparison, Collaboration, Continued, with Correlation and unCertainty (OC6) international project promoted by the International Energy Agency (IEA).

(Català) Actualment hi ha un nombre creixent, tot i que reduït, de models capaços de realitzar simulacions aero‐hidro‐servoelàstiques totalment acoblades en el domini del temps per a l'anàlisi d'aerogeneradors marins flotants (FOWT). Històricament, en els seus inicis, aquests models van adoptar àmpliament formulacions de sistemes multi‐cossos rígids (RMS) per descriure la resposta dinàmica global del sistema complet. No obstant això, la seva incapacitat per determinar l'estat de tensió‐deformació intern dels components hiperestàtics, juntament amb la irrupció de conceptes de plataforma amb una complexitat estructural més alta, van promoure el desenvolupament d'una segona generació de models que adopten formulacions de sistemes multi‐cossos flexibles (FMS). L'estratègia principal dels quals, donat que eren fonamentalment una evolució dels primers, es basava en descriure la resposta dinàmica dels components flexibles superposant una anàlisi deformacional de primer ordre sobre la seva configuració espacial de cos rígid. No obstant això, a la vegada que la indústria està ràpidament mostrant una tendència en les últimes dècades cap a aerogeneradors més grans i potents, alguns components del sistema han augmentat en esveltesa i flexibilitat. Com per exemple les pales del rotor o la torre, que comencen a requerir l'adopció d'anàlisis no lineals per avaluar adequadament la seva resposta dinàmica i el seu estat tensional intern. En aquest context, avui dia hi ha un nombre incipient però reduït de models capaços de realitzar anàlisis estructurals dinàmics no lineals totalment acoblades de FOWTs. No obstant això, la majoria estan estrictament restringits a elements unidimensionals del tipus biga, forçant l'adopció de procediments de mapeig de càrregues locals aproximats durant la fase de disseny de detall. Per aquest motiu, en aquesta Tesi es proposa un nou model avançat totalment acoblat basat en el mètode dels elements finits (FEM). Els principals avantatges del qual resideixen en la capacitat de realitzar anàlisis dinàmiques no lineals en el domini del temps de models estructurals complexos composats per múltiples elements finits de diferent naturalesa. Aquesta característica permet una definició més precisa del comportament estructural real i, per tant, condueix a una descripció més detallada de l’estat intern tensodeformacional sense la necessitat d'adoptar tècniques addicionals. Les equacions de balanç subjacents del model s'han derivat a partir del mètode Co‐Rotacional Independent de l’Element (EICR), els fonaments del qual es van establir en el treball desenvolupat per C. C. Rankin i F. A. Brogan als anys 80 i posteriorment readaptat i millorat per C.A. Felippa i B. Haugen als anys 2000. Tanmateix, com que inicialment el mètode es va centrar principalment en anàlisis estructurals quasi‐estàtics no lineals, en el marc de la present tesi s'ha desenvolupat una extensió detallada i consistent a la dinàmica no lineal basada en la teoria de la mecànica de medis continus. Per avaluar el rendiment del model estructural proposat, aquest s'ha verificat a partir d'un conjunt d’exemples de referència disponibles a la literatura de l’anàlisi dinàmic no lineal de cossos flexibles mitjançant la mecànica computacional. Mentre que el model aero‐hidro‐servo‐elàstic totalment acoblat per a l'anàlisi de FOWTs s'ha validat a partir de les dades experimentals proporcionades en el marc del projecte internacional Offshore Code Comparison, Collaboration, Continued, with Correlation and unCertainty (OC6) promogut per l'Agència Internacional de l'Energia (IEA).

(Español) En la actualidad existe un número creciente, aunque reducido, de modelos capaces de realizar simulaciones aerohidro‐servo‐elásticas totalmente acopladas en el dominio del tiempo para el análisis de aerogeneradores marinos flotantes (FOWTs). Históricamente, en sus inicios, estos modelos adoptaron ampliamente formulaciones de sistemas multicuerpo rígidos (RMS) para describir la respuesta dinámica global del sistema en su conjunto. Sin embargo, su incapacidad para determinar el estado interno de tensión‐deformación de los componentes hiperestáticos, junto con la irrupción de conceptos de plataforma con una mayor complejidad estructural, promovió el desarrollo de una segunda generación de modelos que adoptaron formulaciones de sistemas multicuerpo flexibles (FMS). Cuya estrategia principal, por ser fundamentalmente una evolución de los primeros, se basó en describir la respuesta dinámica de los componentes flexibles mediante la superposición de un análisis deformacional de primer orden sobre su configuración espacial de sólido rígido. Sin embargo, debido a que la industria ha tendido rápidamente en las últimas décadas hacia aerogeneradores más grandes y más potentes, algunos componentes del sistema han aumentado en esbeltez y flexibilidad. Como por ejemplo las palas del rotor o la torre, que están empezando a requerir la adopción de análisis no lineales para evaluar adecuadamente su respuesta dinámica y su estado tensional interno. En este contexto, hoy en día existe un número incipiente pero reducido de modelos capaces de realizar análisis dinámicos estructurales no lineales totalmente acoplados de FOWTs. Sin embargo, en su mayoría están estrictamente restringidos a elementos unidimensionales del tipo viga, lo que obliga a la adopción de procedimientos de mapeo de cargas locales aproximadas durante la fase de diseño de detalle. Por esa razón, en la presente Tesis se propone un nuevo modelo avanzado completamente acoplado basado en el Método de los Elementos Finitos (FEM). Cuyas principales ventajas radican en la capacidad de realizar análisis dinámicos no lineales en el dominio del tiempo de modelos estructurales complejos compuestos por múltiples elementos finitos de diferente naturaleza. Esta característica permite una definición más precisa del comportamiento estructural real y, por tanto, conduce a una descripción más detallada del estado interno tenso‐deformacional sin la necesidad de adoptar técnicas adicionales. Las ecuaciones de equilibrio subyacentes del modelo se basan en el método Co‐Rotacional Independiente del Elemento (EICR), cuyos fundamentos se establecieron en el trabajo desarrollado por C. C. Rankin y F. A. Brogan en la década de 1980 y posteriormente fue readaptado y mejorado por C. A. Felippa y B. Haugen en la década del 2000. Sin embargo, debido a que el método inicialmente se centró en análisis estructurales cuasi‐estáticos no lineales, en el marco de la presente tesis se ha desarrollado una extensión detallada y consistente del mismo para el análisis dinámico no lineal mediante la teoría de la mecánica de medios continuos. Para evaluar el rendimiento del modelo estructural propuesto, éste se ha verificado en base a un conjunto de ejemplos de referencia disponibles en la literatura del análisis dinámico no lineal de cuerpos flexibles mediante la mecánica computacional. Mientras que el modelo aero‐hidro‐servo‐elástico totalmente acoplado para el análisis de FOWTs ha sido validado en base a los datos experimentales proporcionados en el marco del proyecto internacional Offshore Code Comparison, Collaboration, Continued, with Correlation and unCertainty (OC6) promovido por la Agencia Internacional de Energía (IEA).