Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Fabriquer un convertisseur d’énergie des vagues Partie 6: Construire le longeron

Il s’agit de la sixième partie d’une série de 10 articles présentant la R & D d’un convertisseur d’énergie houlomotrice. Lisez les parties un, deux, trois, quatre et cinq.

Avec la grande bouée en mousse jaune déjà construite, notre équipe d’étudiants en génie s’est concentrée sur la construction du long longeron mince. Le longeron est fixé à la face inférieure de la bouée et constitue le cadre qui maintient le cylindre hydraulique et l’ensemble de ressorts mécaniques en alignement.

C’est également l’élément essentiel qui permet au mouvement relatif entre la bouée et la plaque de soulèvement de pousser et de tirer sur le cylindre hydraulique lorsque les vagues dépassent le convertisseur d’énergie des vagues (WEC). Ce mouvement cyclique de poussée-traction pompe le fluide hydraulique qui fait tourner le moteur hydraulique et fait tourner le générateur pour produire de l'électricité. Conformément à l'objectif de rendre le WEC facile à déplacer et à déployer, le longeron a été divisé en trois sections afin que la longue et lourde structure puisse être démontée pour le transport.

Le longeron a été conçu pour être aussi court que possible; cela a été fait pour minimiser le poids total et réduire le coût des matériaux. Pour ce faire, chaque section a été conçue pour avoir une longueur différente afin de pouvoir accueillir les divers équipements et pièces devant s’inscrire dans chaque module. Le cylindre hydraulique et la bague de compression ont été intégrés dans la section longue de 79 ″; les ressorts mécaniques, les colliers d'alignement en polymère et la rallonge en acier ont été intégrés à la section 90 "; et la bague en polymère à haute densité et le câble en acier ont été installés dans la section 60,5 ". Cela signifiait que chaque section de longeron pouvait être assemblée indépendamment l'une de l'autre et transportée sous forme d'unités pré-assemblées. Les trois sections sont simplement boulonnées ensemble pour créer une longue structure à l'aide de 16 boulons de grade 8.

Disposition finale de l'assemblage de longeron avec les dimensions et les noms des pièces.

Le longeron a été construit en tube d'acier carré de 2 "de large et 1/4" d'épaisseur. Bien que cela puisse sembler trop technique, cela a été fait pour empêcher le longeron de tomber en panne dans le cas d’une tempête extraordinaire avec des vagues gigantesques. Dans un problème d'ingénierie idéal, il est possible de prédire ou même de mesurer les forces qui seront appliquées à votre conception. Cette information aide l’ingénieur à sélectionner le type de matériau spécifique nécessaire pour éviter la défaillance de la pièce et constitue l’un des nombreux facteurs (notamment le coût, le poids, l’usinabilité) qui détermine le produit final. Cependant, alors que nous apprenions à la dure, les applications du monde réel ne sont pas toujours aussi simples et l’équipe craignait d’essayer de prévoir les forces maximales qui seraient exercées sur le WEC. Heureusement, nous avions appris l'existence d'un critère de conception spécial pour la construction de systèmes mécaniques devant survivre à l'environnement marin extrême, le François Factor.Définition: Commencez par concevoir un système aussi puissant que vous le pensez nécessaire pour survivre dans les océans, puis rendez-le CINQ fois plus puissant. (Nommé affectueusement en l'honneur de M. François Cazenave, qui a offert ce conseil lors de notre voyage à MBARI.)

Nous devions définir le pire scénario et approximer la force ascendante maximale sur le longeron avant d'appliquer le facteur François. C'était relativement simple. Nous avons supposé qu'une vague massive traverserait le WEC et provoquerait l'allongement complet du vérin hydraulique, point auquel la bouée continuerait d'être tirée vers le haut, tandis que la plaque de soulèvement serait tirée vers le bas en raison de la traînée hydrodynamique. Cela placerait le longeron en tension maximale. Pour se rapprocher de cette force de traction, nous avons pris la force de flottabilité totale de la bouée, de 3 800 livres, et avons supposé qu'il s'agirait de la force de traction maximale exercée sur le longeron.

Cette hypothèse était valable tant que la plaque de soulèvement restait fixée près du fond de l'océan et constituait une simplification que nous avons utilisée tout au long de l'analyse. Nous avons également négligé le poids du longeron, car il ne ferait que diminuer la force de flottabilité maximale de la bouée. En réalité, pour générer une force de traînée hydrodynamique vers le bas, la plaque de soulèvement doit se déplacer vers le haut avec une certaine vitesse, mais nous avons formulé une hypothèse sous-jacente pour simplifier l'analyse et avons supposé que la plaque de soulèvement agissait comme une «ancre» idéale. pourrait supposer que toutes les forces ascensionnelles générées par la bouée seraient transférées à huit boulons reliant les sections de longeron.

Diagramme du pire scénario supposé pour le WEC.

Le pire scénario étant résolu, nous avons ensuite appliqué le François Factor pour calculer une charge de traction totale égale à 19 000 livres. Sachant que nous avions initialement prévu d'utiliser huit boulons pour relier chacune des sections, il était alors possible de calculer la contrainte dans chaque boulon et de voir si cette valeur était inférieure à la charge d'épreuve de 120 000 psi des boulons de 8e année. Les résultats obtenus indiquent que le longeron serait 10 fois plus solide que nécessaire (en supposant que le pire scénario soit valable) et que le coût des boulons extra-résistants n’était pas beaucoup plus élevé que celui du d’autres options, nous nous en sommes tenus au plan initial et avons construit un espar vraiment solide. Ce processus et cette procédure de réflexion ont été utilisés pour déterminer la taille et l'épaisseur du tube d'acier carré utilisé pour construire les sections de longeron.

Nettoyage de l'acier

Le stock d'acier est arrivé dans des sections de 20 pieds de long et a été commandé à un vendeur local à Sacramento, en Californie, qui l'a livré à la boutique de l'école dans un camion à fond plat. Une fois que les 180 pieds linéaires ont été déchargés du camion, l'équipe s'est mise au travail pour nettoyer la surface du tube. Lors de la fabrication et du traitement à l'aciérie, la surface du tube en acier est recouverte d'une huile noire afin de protéger l'acier de l'humidité et de prévenir la rouille. Bien que l'huile aide à protéger l'acier pendant son stockage, la même huile peut causer des problèmes lors de la fabrication et doit donc être enlevée avant le soudage ou la peinture. Nous avons pulvérisé du WD-40 sur l’acier, ce qui a permis de dégrader l’huile noire et de l’essuyer plus facilement avec des chiffons.

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Couper l'acier à la taille

Une fois que la surface avait été légèrement nettoyée, il était temps de mesurer et de marquer les morceaux de tubes d'acier de 20 pieds de long et de les découper à l'aide de la scie à ruban verticale massive. Nous avons eu la chance d’avoir accès à une machine aussi grande et puissante. Avec un tube en acier de 1/4 po d'épaisseur, cette étape a pris beaucoup de temps et il fallait toujours surveiller la machine pour s'assurer que rien ne se passait mal.

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Rectifier l'acier et ajouter des chanfreins

Une fois l’acier coupé, l’équipe utilise des meuleuses angulaires pour éliminer les résidus d’huile et les contaminants autour des bords du tube. Avant de souder les pièces ensemble, la zone à souder devait être extrêmement propre. Ce processus de rectification constituait un moyen rapide et efficace de préparer toutes les surfaces. Des chanfreins ont également été ajoutés aux extrémités. De cette façon, lorsque deux tubes étaient placés ensemble à un angle de 90 °, il y aurait une petite rainure en V créée dans une vallée, qui serait ensuite remplie avec un matériau de remplissage pour soudage. Cette technique de rainure en V crée une soudure plus solide et permet d'ajouter une plus grande quantité de matériau au joint, garantissant une pénétration profonde et des conditions de soudage optimales dans les régions d'angle.

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