Design of a 6 DoFs robot for hydrodynamic simulations on wind turbines

In the last years, the development of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations has heightened the knowledge about issues occurring in a system due to the interaction between structures and fluids. Nevertheless, the results of CFD analyses require a deep experimental validation to be accepted: to fulfil this task CFD simulations are coupled to aero-elastic dynamical tests performed in the wind tunnel. Tests on scaled models in wind tunnel, thanks to their reliability and cheapness, have a role of fundamental relevance in the design of structures affected by critical aerodynamic loads. In this context works the wind tunnel of the Politecnico di Milano, that among its activities includes the study of floating off-shore wind turbines. Therefore, it is born the need to make a system able to replicate the behaviour of sea waves during Hardware-In-the-Loop (HIL) simulations. This thesis deals with the design of such mechanical device: it is a Parallel Kinematic Machine (PKM) with 6 Degrees of Freedom (DoFs). The architecture of the machine was defined by an optimization made through Genetic Algorithms (GAs) by means of MATLAB tools. Starting from experimental results obtained in the wind tunnel, a multibody model developed in MSC ADAMS was employed for dynamic analyses. Finally, components were designed and verified by means of a Finite Element Method (FEM) developed in Autodesk Inventor. Such components will be partially produced and partially purchased to end with the assembly. At last, knowing that dimensional and assembling errors will be unavoidable, in order to reduce positioning errors of the robot, once the machine will be assembled, it will have to be calibrated. To this end, some measuring procedures were studied and some optimization algorithms based on GA was developed.

Negli ultimi anni lo sviluppo di simulazioni CFD ha incrementato sensibilmente la conoscenza di ciò che accade nelle interazioni fra fluidi e strutture. Nonostante ciò l'affidabilità dei risultati ottenuti da queste simulazioni richiede una validazione per essere accettata e per fare ciò ci si affida a test sperimentali condotti in galleria del vento. I test in galleria del vento su modelli in scala, grazie alle consolidate caratteristiche di affidabilità ed economicità, rivestono un ruolo di fondamentale importanza per le strutture nella cui progettazione l'effetto dei carichi eolici costituisce un aspetto determinante. In questo contesto opera la galleria del vento del Politecnico di Milano, che tra le attività in corso d'opera annovera lo studio di turbine eoliche off-shore galleggianti. È pertanto sorta la necessità di realizzare un sistema in grado di riprodurre il comportamento delle onde marine durante simulazioni HIL. In questa tesi viene proposto il progetto di tale dispositivo meccanico: si tratta di una macchina a cinematica parallela dotata di 6 gradi di libertà. L'architettura del robot è stata definita mediante un’ottimizzazione svolta tramite algoritmi genetici sfruttando tool di MATLAB. A partire dai risultati sperimentali ottenuti in galleria del vento, si è poi ricorsi ad un modello multibody sviluppato in ambiente MSC ADAMS per l’analisi dinamica. Infine, i componenti sono stati progettati e verificati tramite Finite Elements Method (FEM) sviluppato in Autodesk Inventor. Tali componenti verranno in parte prodotti e in parte acquistati per concludere con l’assemblaggio. Infine, sapendo che errori dimensionali e di assemblaggio saranno inevitabili, per ridurre gli errori di posizionamento del robot, una volta che la macchina verrà assemblata, dovrà essere calibrata. A tal fine, sono state studiate delle procedure di misura e sono stati sviluppati alcuni algoritmi di ottimizzazione basati su algoritmi genetici.