Cómo X1 Wind agilizó la verificación de DNV para una plataforma eólica flotante con hasta 1,2 millones de elementos
1,2 M
elementos finitos en el modelo más grande
~120
casos de carga comprobados en un único flujo de trabajo
8 h → 1-2 h
Comprobación de pandeo por columna
- Se han verificado modelos de parques eólicos flotantes de gran tamaño a partir de los resultados de Ansys. Se evaluaron las columnas, los componentes de la plataforma TLP y la placa de elevación mediante modelos que contenían hasta 1,2 millones de elementos finitos.
- Se han automatizado los flujos de trabajo de DNV relativos al pandeo y a la deformación plástica. Se han realizado con éxito las comprobaciones según las normas DNV-RP-C201 y DNV-RP-C202 para el pandeo de chapas y de recintos, incluidas las comprobaciones personalizadas para la evaluación de la tensión de Von Mises y la tensión de cizallamiento.
- Las comprobaciones repetidas del diseño se agilizaron considerablemente. Se procesaron alrededor de 120 casos de carga en un único flujo, mientras que la verificación del pandeo de los pilares se redujo de ocho horas a menos de dos horas.
La X100 es la plataforma eólica flotante precomercial de X1 Wind, construida para validar su tecnología PivotBuoy a escala real en alta mar.
Esta plataforma ligera, con forma de trípode, combina el amarre de un solo punto (SPM), que facilita su instalación, con la estabilidad y el ahorro de peso que ofrece un sistema de amarre de plataforma con tirantes tensados (TLP). Al combinarse con una configuración a sotavento, gira pasivamente según la dirección del viento, lo que elimina la necesidad de mecanismos activos de giro.
Este diseño reduce el peso del acero primario hasta en un 50 % en comparación con las tecnologías flotantes tradicionales, mientras que los cabos de amarre verticales de la plataforma TLP reducen considerablemente la huella en el lecho marino en comparación con los sistemas catenarios, lo que minimiza el impacto medioambiental.
La X100 se instalará en el centro de pruebas de PLEMCAT, en Cataluña (España). Recientemente ha recibido una Declaración de Conformidad (SoC) para el diseño básico por parte de DNV, que verifica de forma independiente los métodos de cálculo de X1 Wind, el diseño estructural y la capacidad de la plataforma para soportar condiciones marítimas extremas durante una vida útil de 25 años. En función del nivel de detalle requerido, los modelos de análisis por elementos finitos oscilaron entre unos 300 000 y 1,2 millones de elementos.
Imagen: La plataforma eólica flotante X100 de X1 Wind
Verifique modelos de gran envergadura para instalaciones marítimas sin tener que volver a realizar las comprobaciones tras cada iteración de diseño
Automatice las comprobaciones de pandeo de placas y carcasas, procese las envolventes de los casos de carga y actualice los resultados de la verificación directamente desde Ansys tras cada nueva ejecución del modelo.
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Resumen del proyecto
| Empresa | X1 Wind |
| Proyecto | Prototipo de parque eólico flotante X100 |
| Estructura | Plataforma eólica flotante |
| Componentes | Columnas, componentes del TLP y placa de elevación |
| Tamaño del modelo FE | Entre 300 000 y 1,2 millones de elementos, aproximadamente |
| Flujo de verificación | Aproximadamente 120 casos de carga |
| Plegado de chapas | DNV-RP-C201 |
| Pandeo de la carcasa | DNV-RP-C202 |
| Comprobaciones adicionales | Límites de Von Mises y de esfuerzo cortante |
| Software | Ansys; SDC for Ansys |
| Implementación y pruebas |
PLEMCAT, mar Mediterráneo, España |
El cuello de botella se produjo en el posprocesamiento
La realización del análisis estructural no fue más que una parte de la carga de trabajo de ingeniería. El mayor cuello de botella se produjo una vez que el solucionador de Ansys hubo finalizado su trabajo.
En el caso de una sola columna, el proceso manual de cálculo del pandeo requería aproximadamente ocho horas de trabajo de ingeniería:
- entre cinco y seis horas para extraer los resultados de Ansys de ,
σx, , ,σyy ; - aproximadamente una hora para comprobar la tensión de cizallamiento de cada uno de los paneles;
- unos 30 minutos para preparar los archivos necesarios.
Cada estructura solía incluir, por lo general, entre 12 y 15 paneles de casco evaluados conforme a la norma DNV-RP-C202 y otros 8 a 10 paneles de chapa evaluados conforme a la norma DNV-RP-C201.
Las columnas resultaban especialmente exigentes, ya que estaban sometidas a mayores cargas y constituían algunos de los modelos de elementos finitos de mayor tamaño.
El principal coste se produjo durante las iteraciones del diseño. Cuando los ingenieros modificaban el espesor de las placas, el armadura, los vanos sin apoyo o la geometría de los componentes, era necesario volver a ejecutar el análisis de Ansys. En el marco de este proceso manual, gran parte del trabajo de extracción de tensiones y de preparación debía repetirse.
Creación de un flujo de trabajo de verificación reutilizable
X1 Wind conectado SDC for Ansys directamente a los resultados existentes de Ansys y trasladó las comprobaciones de pandeo y deformación plástica a un proceso de verificación reutilizable.
El equipo de ingeniería utilizó el software para:
- realizar comprobaciones de pandeo de chapas de acuerdo con la norma DNV-RP-C201;
- realizar comprobaciones de pandeo de la envolvente de acuerdo con la norma DNV-RP-C202;
Resultados del pandeo de placas según la norma DNV-RP-C201 en varios paneles analizados en SDC for Ansys. Coeficiente de utilización máximo mostrado: 0,692.
- evaluar varios paneles dentro del mismo modelo;
- cargas de proceso almacenadas a lo largo de pasos temporales sucesivos;
- evaluar aproximadamente 120 casos en un único flujo de trabajo;
- crear envolventes de casos de carga para el pandeo y la deformación plástica;
- identificar los casos de carga determinantes y las zonas estructurales críticas;
- evaluar las tensiones de von Mises y de cizallamiento mediante reglas de verificación personalizadas;
- Actualice las comprobaciones una vez que se disponga de los nuevos resultados de Ansys.
El código de fluencia personalizado se configuró en SDC Verifier para comparar las tensiones de von Mises y de cizallamiento calculadas con los límites del material correspondientes.
En lugar de extraer manualmente los valores de cada panel y volver a realizar los cálculos por separado, los ingenieros podrían trabajar directamente con los resultados ya disponibles en Ansys.
Utilización del límite elástico en toda la estructura eólica flotante analizada mediante un modelo SDC for Ansys personalizado. Utilización máxima mostrada: 0,847.
Las envolventes de casos de carga sustituyeron al análisis caso por caso
X1 Wind utilizó envolventes de casos de carga tanto para las comprobaciones de pandeo como para las de deformación plástica.
Esto permitió al equipo identificar el casos de carga determinantes a través de los resultados analizados, en lugar de examinar cada caso por separado. Los ingenieros podrían centrarse en las combinaciones críticas y en las zonas estructurales que requieren atención.
En una sola secuencia se podrían tramitar aproximadamente 120 expedientes.
La verificación pasó a formar parte del ciclo de diseño
El flujo de trabajo resultaba especialmente útil cuando una comprobación identificaba una zona sometida a una tensión excesiva o en riesgo de pandeo.
El equipo de ingeniería evaluó en primer lugar la magnitud y la relevancia estructural del resultado. En función del problema, el diseño podría modificarse entonces de las siguientes maneras:
- reducir una luz sin apoyo;
- añadiendo refuerzos locales;
- aumento del espesor de la placa;
- modificando la geometría del componente.
La estructura revisada se volvió a simular en Ansys, tras lo cual SDC Verifier actualizó las comprobaciones existentes utilizando los nuevos resultados.
De este modo se creó un proceso repetible:
1. Realice el análisis estructural en Ansys
Genere los resultados actualizados de las tensiones para el diseño actual.
2. Verificar el pandeo y la deformación plástica en SDC for Ansys
Procese los paneles pertinentes, los casos de carga y los límites de los materiales.
3. Identificar las áreas estructurales fundamentales
Revise los valores críticos de utilización y las combinaciones de carga.
4. Modifique el diseño
Ajuste las luces, el armadura, los espesores o la geometría.
5. Vuelva a ejecutar y actualice las comprobaciones en SDC for Ansys
Vuelva a utilizar la configuración de verificación con los resultados revisados de Ansys.
El equipo ya no tenía que volver a realizar el proceso de comprobación tras cada cambio relevante en el modelo.
Resultados
La comprobación de pandeo de una sola columna se redujo de ocho horas a una o dos.
El análisis manual de pandeo de una columna duró aproximadamente ocho horas.
Con SDC for Ansys, ese mismo proceso podría completarse en una o dos horas.
La mayor parte del ahorro se debió a la eliminación de las repetidas operaciones de extracción y preparación de σx, σy, así como los valores de esfuerzo cortante de cada uno de los paneles.
Las iteraciones repetidas ya no requerían otro flujo de trabajo manual completo
Con el enfoque anterior, cada actualización significativa del diseño podía dar lugar a otro ciclo de verificación de ocho horas.
Gracias al SDC for Ansys reutilizable, los ingenieros podrían modificar la estructura, volver a ejecutar Ansys y actualizar las comprobaciones sin necesidad de volver a crear el proceso de verificación.
A lo largo de múltiples iteraciones, esto permitió ahorrar varios días de trabajo de ingeniería repetitivo.
En un único flujo de trabajo se tramitaron aproximadamente 120 casos
Las cargas aplicadas a lo largo de intervalos de tiempo sucesivos podrían evaluarse conjuntamente, utilizando envolventes de casos de carga que identifiquen los resultados determinantes en cuanto a pandeo y deformación plástica.
Esto redujo el volumen de revisiones caso por caso que debía realizar el equipo de ingeniería.
Se gestionaron de forma coherente modelos de hasta 1,2 millones de elementos
Se aplicó el mismo procedimiento a modelos de elementos finitos que oscilaban entre aproximadamente 300 000 y 1,2 millones de elementos.
Esto permitió al equipo disponer de un proceso de verificación coherente para estructuras de distintos tamaños y niveles de detalle.
Los ingenieros obtuvieron una visión más clara del margen estructural
Las comprobaciones manuales anteriores de X1 Wind eran más conservadoras. El proceso SDC for Ansys ofrecía una visión más detallada del margen estructural disponible en todo el modelo.
Esto permitió tomar decisiones más fundamentadas sobre si una zona crítica requería un mayor espesor, un refuerzo, un cambio de geometría o si no era necesario realizar ninguna modificación.
Este proceso ha contribuido a la optimización del peso, aunque X1 Wind aún no ha cuantificado la reducción de material ni de peso resultante.
