格构式截面风力发电机塔架的设计与有限元分析

摘要

风力发电机塔架作为支撑风力发电机组的主要装置,有着一定的研究价值。目前,国内最常见的传统锥筒式塔架因其自身的缺点,如变形大、刚度小、导致塔架设计一般由刚度而非强度控制所以不能发挥钢材高强的特点,并且大型锥筒式塔架对焊接质量要求很高,在塔架起吊安装上也存在问题。针对此种现状,本文借助有限元思想及相关设计分析软件,在系统的分析风力机塔架受力性能的基础上,设计出一种新形式的风力塔架,并且对塔架的受力选型进行了研究。
　　(1)以白云鄂博风场1.5MW锥筒式风力发电机塔架为参考对象,根据高耸结构设计和钢结构设计相关规定,确定风力机塔架选型的基本原则,设计出格构式截面塔架,建立简化力学模型,确定节点设计方案,明确受力分析方法。
　　(2)利用有限元软件SAP2000建立格构式截面塔架的有限元分析模型,对塔架进行强度、刚度、稳定性的分析。通过有限元分析得到塔架的结构内力、自振频率、塔顶位移、屈曲因子等,以此来评估塔架的可行性。
　　(3)使用SAP2000对塔架进行地震反应谱分析,并且利用MATLAB拟合风载时程曲线,对塔架进行风载时程分析,确保在更复杂的实际情况下,本文所设计的格构式风电塔架有着更好的受力特性。
　　(4)使用SAP2000软件对塔架进行优化设计,即使用SAP2000的自带优化程序对塔架的各个杆件筛选最合适的尺寸,并对优化前后的材料强度利用率和用钢量进行对比分析,最后绘制格构式截面风力发电机塔架的施工图。
　　通过对本文提出的全钢结构四肢柱左右异面格构式风力发电塔架的研究,可以得到塔柱轴向受拉承载力9349.38kN,高于有限元模拟的8990kN;轴向受压承载力为9134.35kN,高于有限元模拟的7128kN;斜腹杆最大承载力为1031.8kN,高于有限元模拟的747.25kN;水平腹杆的最大承载力为997.1kN,高于有限元模拟的353.84kN。塔架顶端位移为420mm,为塔架总高度的0.67％。塔架的前三阶屈曲因子都大于1,塔架可以满足强度、刚度和稳定性要求。经过优化后,格构式风力发电机塔架用钢量约为原型塔架的70.63%。
　　本文研究成果可为今后风力发电机塔架结构选型提供科学、合理的依据。

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引言

1绪论

1.1课题背景

1.2风电发电机组概述

1.3国内外风力发电领域的研究成果

1.4风力发电机塔架的研究方法及内容

1.5 课题研究内容

2格构式风力发电机塔架设计

2.1 风力发电机塔架设计要求

2.2风力发电机塔架设计原则

2.3风力发电机塔架设计方法

2.4本章小结

3格构式风力发电机塔架有限元分析

3.1 格构式风力发电机塔架有限元建模

3.2 格构式风力发电机塔架模态分析

3.3格构式风力发电机塔架强度分析

3.4 格构式风力发电机塔架刚度分析

3.5格构式风力发电机塔架稳定性分析

3.6格构式风力发电机塔架反应谱分析

3.7格构式风力发电机塔架风载时程分析

3.8本章小结

4格构式风力发电机塔架的优化设计

4.1有限元软件SAP2000优化设计

4.2优化前后对比分析

4.3对塔架选型的优化及对比分析

4.4本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢