Publication: Comparación de mallas para el análisis de convergencia en el modelo de elementos finitos de un aerogenerador
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Abstract in spanish
RESUMEN: existe un vacío en el conocimiento sobre los análisis de convergencia de malla para elementos finitos en modelos de aerogeneradores, lo que impide que los modelos trabajen de manera eficiente, resultando en tiempos de procesamiento prolongados o resultados imprecisos, lo que representa una pérdida de tiempo y recursos económicos y puede obstaculizar proyectos esenciales para la transición energética. Este trabajo de grado investiga la convergencia de la malla en el modelo de elementos finitos de un aerogenerador en Llanogrande, Colombia. El objetivo principal es seleccionar el tamaño de malla que proporcione resultados precisos y exactos en términos de esfuerzos y desplazamientos, con una precisión mínima del 0.1\% y una discontinuidad máxima del 5\%, lo que quiere decir que los valores entre una malla y la siguiente evaluada muestren una convergencia a un valor 'real' con una variación del 0.1\% y que el resultado medido entre elementos contiguos dentro de un mismo modelo no deben diferir en más del 5\%; Para conseguir el objetivo, se empleó el método de elementos finitos (MEF), que permite analizar estructuras complejas discretizándolas en elementos más simples. Se realizaron pruebas con diferentes tamaños de malla y se evaluaron los resultados bajo diversas fuerzas de prueba. La malla óptima se determinó mediante un análisis comparativo, concluyendo que la malla con un tamaño de elemento de 15.8 mm proporcionó una precisión superior al 0.1\%, con un tiempo de procesamiento de poco más de dos minutos. La convergencia de los resultados de las diferentes iteraciones mostraron que los parámetros y criterios de convergencia utilizados son efectivos para encontrar una malla con un tiempo de procesamiento adecuado. En busca de esta convergencia analizó y estudio el comportamiento de diferentes puntos de la estructura, para hacer las comparaciones correspondientes, entre estos puntos se analizaron los ubicados en los extremos tanto superior como inferior y el punto donde se encontraban los esfuerzos y deformaciones máximas. De estos análisis se pudo identificar que los tres puntos mencionados no son ideales para evaluar la convergencia, ya que en los extremos la concentración de esfuerzos provoca divergencias, y los valores máximos pueden cambiar de posición. Estos hallazgos son relevantes para mejorar el diseño de mallas en modelos de elementos finitos, permitiendo obtener una malla óptima según el uso previsto del modelo.
Abstract in english
ABSTRACT: There is a knowledge gap in the convergence analysis of mesh for finite elements in wind turbine models, which prevents the models from working efficiently, resulting in prolonged processing times or inaccurate results. This represents a loss of time and economic resources and can hinder essential projects for the energy transition. This thesis investigates the mesh convergence in the finite element model of a wind turbine in Llanogrande, Colombia. The main objective is to select the mesh size that provides accurate and precise results in terms of stresses and displacements, with a minimum accuracy of 0.1% and a maximum discontinuity of 5 %. This means that the values between one mesh and the next evaluated should show convergence to a “real” value with a variation of 0.1%, and the measured result between contiguous elements within the same model should not differ by more than 5 %. To achieve this goal, the finite element method (FEM) was employed, allowing for the analysis of complex structures by discretizing them into simpler elements. Tests were conducted with different mesh sizes, and the results were evaluated under various test forces. The optimal mesh was determined through a comparative analysis, concluding that a mesh with an element size of 15.8 mm provided an accuracy greater than 0.1 %, with a processing time of just over two minutes. The convergence of the results from the different iterations showed that the parameters and convergence criteria used are effective in finding a mesh with an adequate processing time. In the search for this convergence, the behavior of different points of the structure was analyzed and studied to make the corresponding comparisons. Among these points, those located at the upper and lower ends and the point where the maximum stresses and deformations were found were analyzed. From these analyses, it was identified that the three mentioned points are not ideal for evaluating convergence, as stress concentrations at the ends cause divergences, and maximum values can change positions. These findings are relevant for improving mesh design in finite element models, allowing for the optimal mesh to be obtained according to the intended use of the model.