风力机塔架的有限元建模及静动态特性分析

摘要

风能是目前最有开发利用前景的一种可再生能源。风能利用的主要方式之一是风力发电,然而风力发电机系统的工作环境很复杂,其塔架承受多种载荷,同时剪切风、阵风等会引起振动,从而导致风力发电机组的破坏。因此,对风力机塔架进行静动态特性分析有着重要的意义。
　　 本文结合某定型风力发电机组塔架的结构特点及受力特征,建立了变截面筒型塔架的力学模型。基于结构动力学原理,推导了塔架顶端水平位移、基频的计算公式以及考虑叶轮、机舱及塔架自重共同作用下的临界力计算公式;研究了塔架的特定参数及载荷对整机的稳定性和疲劳特性的影响。并用有限元法及ANSYS软件对塔架进行了静动态特性的数值模拟。主要内容和结论如下:
　　 1.有限元数值模拟与理论计算得到的结果比较接近,验证了有限元模型的正确性。塔架底部开门洞和在不同风速下变桨角引起塔架上方各部件重心的变化对塔架静强度有一定的影响。因此,在对风力机塔架进行力学分析和设计计算时应按实际情况考虑。
　　 2.对塔架进行振动特性和响应分析,通过对几种不同模型的数值模拟,得到塔架底端机头的质量和底部基础的刚度对塔架的固有频率有较大的影响。通过动态响应分析,可以得到塔架在不同频率下的响应,以及峰值频率所对应结构的变形和应力;同时计算得到塔架在各时刻的位移、速度和加速度,从而为对风力机优化设计奠定了基础。
　　 3.对塔架进行屈曲分析,利用ANSYS数值模拟,同时在塔筒连接处,采用实体单元对法兰盘模拟,计算结果有较高的准确性,能够达到一般工程的应用,且比目前工程计算偏于安全。对于底部开门洞的塔架,门洞处附近可能发生屈曲失稳。薄壁圆柱壳是对缺陷敏感的结构,须考虑门洞对屈曲的影响,同时采用门框加强结构,将增大塔架的屈曲强度。
　　 4.对塔架进行疲劳分析,可以获得塔架的疲劳寿命系数,检验风力机塔架使用寿命中情况,校核塔架疲劳强度。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的工程背景

1.1.1 风力发电进展

1.1.2 风力机组概述

1.1.3 风力机塔架的特点

1.2 国内外风力机塔架的相关研究

1.2.1 塔架建模的研究

1.2.2 塔架静动态特性研究

1.2.3 塔架屈曲的研究

1.3 有限元基本理论

1.4 本文主要研究内容

第2章 风力机塔架的静态计算

2.1 引言

2.2 水平轴风力机机理

2.3 塔架的理论计算

2.3.1 塔架的力学模型

2.3.2 塔架的载荷简化

2.3.3 塔顶的位移计算

2.4 塔架有限元建模

2.5 算例及ANSYS静态模拟分析

2.6 比较与讨论

2.7 本章小结

第3章 风力机塔架的振动与响应分析

3.1 引言

3.2 塔架固有频率理论计算

3.3 结构动力学中的有限元

3.4 塔架的模态分析

3.4.1 塔架模态分析建模

3.4.2 算例及ANSYS模态分析

3.5 塔架的响应分析

3.5.1 塔架的谐响应分析

3.5.2 塔架的瞬态响应分析

3.6 比较与讨论

3.7 本章小结

第4章 风力机塔架的屈曲分析

4.1 引言

4.2 塔架屈曲理论计算

4.3 塔架屈曲工程计算

4.4 塔架的稳定性有限元分析

4.4.1 屈曲有限元分析基本原理

4.4.2 算例及ANSYS屈曲模拟分析

4.5 比较与讨论

4.6 本章小结

第5章 风力机塔架的疲劳分析

5.1 引言

5.2 结构疲劳分析的基本理论

5.2.1 结构疲劳的定义

5.2.2 影响结构疲劳的主要因素

5.2.3 结构疲劳的研究方法

5.3 塔架的疲劳ANSYS分析

5.3.1 ANSYS疲劳分析基本原理

5.3.2 算例及ANSYS疲劳模拟分析

5.4 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