柔性塔架的载荷和动态响应分析研究

摘要

塔架作为风力机组的主要承力部件，塔架的安全状况直接决定了整个风力机的安全性。随着风力机朝大型化方向发展，风力机塔架柔性已不容忽视。当塔高高于100m时，同等高度柔性塔架较刚性塔架重量大幅降低，有效的降低了塔架的生产和运输成本。但柔性塔架的大变形不仅会影响塔架自身的结构强度，还会影响风轮叶片的位置，影响整机的稳定性。因此，基于风力机组柔性经济性以及塔架大变形的考虑，研究柔性塔架的载荷和动态响应具有重要的工程实际意义。
　　本文对风力机气动分析理论进行了调研，阐述了近海风力机风轮和塔架的气动载荷计算方法，为近海风力机气动载荷计算提供了理论基础。同时，介绍了常用的波浪理论，采用Morison方程计算塔架的波浪力。并利用FAST中的HydroDyn模块在JONSWAP波浪频谱模型的基础上对不规则波浪进行仿真，得到了波浪的速度和加速度参数。从而计算出了波浪力，为风力机塔架动态响应分析提供计算基础。
　　本文详细阐述了柔性塔架的定义。以美国可再生能源实验室（NREL）5MW风力机塔架为参考，通过修改塔架的高度、壁厚、直径等特征参数，在ANSYS中建立了5MW风力机柔性塔架模型，并进行了模态分析，得出柔性塔架的固有频率和固有振型。
　　利用FAST中的Areodyn和HydroDyn模块间的结合模拟风浪载荷的叠加，分别计算刚性塔架和柔性塔架在考虑波浪与否情况下的载荷响应。结果表明，相比钢架性塔，柔性塔架的塔底剪力在波浪载荷作用方向上变化幅度更大，在非波浪载荷作用方向上变化幅度明显减小；而柔性塔架的塔底弯矩正好相反，它在波浪载荷作用方向上变化幅度比刚性塔架更小，在非波浪载荷作用方向上变化幅度明显增大。
　　为分析塔架在风浪载荷作用下的动态响应，将塔架简化为悬臂梁，并进行有限元离散建模。根据前面计算的风浪载荷数据，建立了柔性塔架结构动力学方程。同时，用Newmark法求解动力学方程，编制相应的计算机程序，得到柔性塔架的动态响应数据。将本文计算结果与FAST计算结果进行了对比，取得一致的仿真结果，说明本文模型的可靠性。此外，本文模型在计算塔架固有频率、修改塔架参数方面较FAST更便捷，具有一定的优越性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要内容

第2章 气动载荷分析

2.1 水平轴风力机气动计算理论

2.2 风力机叶片气动载荷

2.3 风力机塔架气动载荷

2.4 本章小结

第3章 波浪载荷计算

3.1 波理论

3.2 波浪的仿真

3.3 波浪力的计算

3.4 算例分析

3.5 本章小结

第4章 柔性塔架模型建立及模态分析

4.1 塔架刚柔体系分类

4.2 塔架模型建立

4.3 塔架固有频率和固有振型计算

4.4模态分析

4.5本章小结-

第5章 风波联合下塔架载荷计算分析

5.1 风浪载荷的组合方式

5.2 近海风力机风、波联合作用载荷计算实例

5.3 本章小结

第6章 柔性塔架动态响应分析

6.1 柔性塔架动力学模型

6.2 柔性塔架动力响应分析

6.3柔性塔架动态载荷分析

6.4本章小结

总结与展望

总结

研究展望

参考文献

致谢

发表论文情况

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