基于ANSYS有限元软件对在役风电塔筒的静动态模拟与安全评估研究

摘要

工业的快速发展，对能源的需求也日益加大，世界各国能源处于严重短缺状态，风力以其清洁、取之不尽的优势，成为世界各国争相发展的能源，也是当前技术发展相对较成熟，应用前景最好的一种能源方式。风能资源比较丰富的地区大多偏远，地理条件恶劣，风力发电主要要借助于风来提供动力，所以风电塔筒常年处在强风大风的持续冲击下，难免会使存在缺陷的塔筒发生倒塌事故，对风电产业造成相当大的损失。而对风电塔筒进行早期故障的方法有限，目前主要是通过无损检测手段进行检测，来判断塔筒的缺陷存在部位，此举对人力及成本的需求大，且检测周期长，实现不了对风电塔筒在役运行下进行快速实效的检测，从而对早期故障的预判及安全评估带来困难，为此我们借助于有限元分析方法，基于强度理论，结构动力学原理等有限元分析方法，以及ANSYS软件的相关规范，对在役风电塔筒做了详细的静态和动态分析并对其结果进行了分析，在此理论基础上，对研究结果通过先进的磁记忆技术进行了验证，得到理论下的风电塔筒危险位置与实际无损检测得到的危险位置很好的对应。论文的研究成果为在役风电塔筒的早期故障预测与安全评价提供了技术参考，具有一定指导意义和工程实用价值。论文主要内容如下:
　　 （一）利用有限元分析方法，建立了风电塔筒的有限元分析模型，同时将风电塔筒实际运行下的四种典型工况折算为能在ANSYS软件规范下加载到风电塔筒有限元模型上的载荷，进而实现了在四种工况条件下对在役风电塔筒的静态分析，从应力分布和塔筒随高度方向上的位移偏移量得出了塔筒运行下的应力集中部位以及塔筒发生偏移的最大部位。
　　 （二）在上述有限元模型的基础上，对风电塔筒进行了动态分析，得到了风电塔筒运行下的固有频率和振动模型，同时从振动模型上进一步到了风电塔筒的应力集中部位以及塔筒塔身发生变形最严重的部位，为进行无损检测做了理论依据。
　　 （三）通过上述静态和动态分析结果，在风电场对在役的风电塔筒进行了有针对性的磁记忆检测，验证了应力集中部位，对缺陷进行了定量分析，进一步通过传统的射线检测技术对应力集中部位进行了定性分析，分析了各种应力集中下的缺陷类型，为进一步进行缺陷定级、修复和安全评估做了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内外风电发展及应用现状

1．1．1 国外风电发展概况

1．1．2 国内风电发展概况

1．2 国内外对风电塔筒的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题背景、意义及研究内容

1．3．1 课题研究的背景

1．3．2 课题研究意义

1．3．3 课题研究内容

第二章 风电塔简有限元模型的建立

2．1 引言

2．2 有限元法的原理与应用过程

2．2．1 有限元法的具体步骤

2．2．2 有限元法边界条件与控制方程

2．2．3 ANSYS软件的介绍

2．3 风电塔筒有限元模型的建立

2．3．1 风电塔筒几何模型的建立

第三章 塔筒静动态模拟与结果分析

3．1 风电塔筒受力分析

3．2 风电塔简承载载荷计算

3．3 静态分析

3．3．1 在工况1(即V切入=3m/s)时静态分析

3．3．2 在工况2(即V额定=10.5m/s)时静态分析

3．3．3 在工况3(即V切出=25m/s)时静态分析

3．3．4 在工况4(即V极限=75m/s)时静态分析

3．4 动态分析过程及结果分析

3．4．1 动态分析的过程

3．4．2 动态加载过程

3．4．3 动态结果分析

3．5 本章小结

第四章 对在役塔筒的无损检测及结果分析

4．1 引言

4．2 对塔筒底座无损检测结果分析

4．3 对塔筒底段和中段连接处无损检测结果分析

4．4 对塔筒中段和顶段连接处无损检测结果分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文