大型风力机塔筒动态特性分析及多轴疲劳寿命预测

摘要

塔筒作为风力机的重要组成部件，其动态响应特性及疲劳性能直接影响着风电机组的安全可靠运行。随着单机容量的不断增加，叶片尺寸和塔筒高度逐渐增大，对塔筒的振动、稳定性以及工作年限都提出了更高的要求。因此，本文以某2.0MW锥形塔筒为研究对象，对其进行了模态分析、屈曲稳定性分析和门洞焊缝多轴疲劳寿命预测。
　　在阐述风力机塔筒模态分析、屈曲特性分析和门洞焊缝多轴疲劳强度方面国内外研究现状的基础上，提出了论文的主要研究内容。
　　在ANSYS Workbench中建立了塔筒结构的有限元模型，分析了考虑顶部质量和不考虑顶部质量两种情况下塔筒的前十二阶自由模态以及基于流固耦合的塔筒预应力模态，结果表明塔筒顶端机舱和叶片质量对模态频率影响较大，塔筒自身物理属性及结构是影响其固有频率的主要因素，通过计算比较发现塔筒固有频率能避开风轮旋转频率的1P和2P倍，满足10%以上安全裕度要求，即风电机组不会发生共振。
　　作为高度敏感缺陷型结构，塔筒底部门洞开口形状对其屈曲性能有较大影响，故计算模拟了在极限工况下矩形门洞与弧形门洞、无加强框和有加强框弧形门洞塔筒结构的屈曲性能，分析表明：弧形门洞较矩形门洞有更好的屈曲性能；加强门框可以提高塔筒结构的屈曲强度。
　　在建立了塔筒门洞有限元模型的基础上，计算了各极限工况下塔筒门洞焊缝的应力分布，对其进行了静强度分析；在满足静强度要求前提下，采用临界平面法，结合GL2010规范的焊缝S-N曲线及Miner线性损伤准则，在疲劳分析软件Fe-safe中进行了塔筒门洞焊缝的多轴疲劳累积损伤计算，满足20年的设计寿命要求，门洞焊缝的最危险位置均处于焊缝焊趾处。

目录

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第一章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 风力机塔筒动态特性分析的国内外研究现状

1.3 大型风力机塔筒焊缝多轴疲劳强度分析的国内外研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第二章 大型风力机塔筒模态分析

2.1 某2.0MW风力机塔筒参数、结构及建模

2.2 大型风力机塔筒模态分析基础

2.3 塔筒自由模态分析

2.4 基于流固耦合塔筒预应力模态分析

2.5 共振分析及模态分析验证

2.6 本章小结

第三章 大型风力机塔筒屈曲特性分析

3.1 屈曲的有限元原理

3.2 塔筒顶部截面载荷

3.3 塔筒屈曲特性分析

3.4 本章小结

第四章 风力机塔筒门洞焊缝多轴疲劳寿命预测

4.1 疲劳分析概述

4.2 多轴疲劳破坏准则

4.3 基于临界面法的多轴疲劳寿命预测方法

4.4 塔筒门洞有限元模型的建立

4.5 塔筒门洞焊缝静强度分析

4.6 基于临界平面法的塔筒门洞焊缝多轴疲劳寿命分析

4.7 本章小结

结论

展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果

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