格构式钢管混凝土风电塔架的载荷计算与疲劳性能分析

摘要

塔架是风力发电机组的重要支撑装置。在现阶段国内外风电市场上，风力发电机塔架大都采用锥筒式钢塔架，但这种结构形式应用于单机大容量风电机组时，存在变形大、制造运输成本大、材料的强度利用率低等缺点。课题组提出一种新型格构式钢管混凝土风力发电机塔架，该种塔架的出现拓展了钢管混凝土结构的应用范围，丰富了风力发电机塔架的结构形式，突破了运输条件对塔架高度的限制。到目前为止，该种塔架的设计方法、静力、动力性能、塔架节点的力学性能等都有较为深入的研究，但对于风力发电机塔架而言，因其所受载荷的时变性，容易发生疲劳破坏。因此，对该种塔架进行疲劳性能分析具有重要的意义和实用价值。
　　本文以某风场2MW风电机组为研究对象，采用国际风电软件GH Bladed计算了作用于塔架的极限载荷和疲劳载荷并设计了格构式钢管混凝土三肢柱塔架。应用ANSYS Workbench有限元软件，对该塔架进行了极限载荷和疲劳载荷下的力学性能研究，验证了格构式钢管混凝土三肢柱塔架作为风电塔架的可行性，并得到了该种塔架的疲劳寿命。
　　研究结构表明，该格构式钢管混凝土三肢柱塔架的固有频率大于风轮的旋转频率和穿越频率，为刚性塔架，可以有效地避免风轮和塔架发生共振。在极限载荷作用下应力较大的部位主要集中在柱肢与腹杆的节点处。通过对该种塔架进行疲劳性能分析，发现疲劳载荷Fx、My、Mz作用下，平均应力变化范围和应力幅变化幅度较大；除了Mz之外，造成塔架损伤主要发生在低平均应力和低应力幅范围内，风电塔架的疲劳属于低应力高周疲劳。找到了该塔架柱肢与腹杆的节点处是疲劳破坏发生的主要位置，在进行钢管混凝土格构式塔架疲劳设计时应重点关注节点处。同时发现正常发电工况DCL1.2是造成塔架疲劳损伤的主要工况。本文研究成果可为格构式钢管混凝土风电塔架在实际工程中的应用提供依据。

目录

声明

1绪论

1.1风力发电背景

1.2风力发电发展概况

1.3风力发电塔架研究现状

1.4课题研究的意义及目的

1.5课题研究内容及方法

2风电机组塔架载荷计算

2.1载荷计算理论

2.2载荷计算过程

2.3本章小结

3格构式钢管混凝土风力发电机塔架结构设计

3.1塔架形式

3.2塔架尺寸

3.3塔架内力计算

3.4极限载荷下塔架的有限元分析

3.5本章小结

4格构式钢管混凝土风力发电机塔架疲劳性能分析

4.1疲劳的概念

4.2分析方法

4.3分析过程

4.4塔架疲劳破坏和疲劳设计

4.5本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢