基于ANSYS的风力机塔架的静态与动态力学研究及其优化

摘要

风力机塔架是风力机组的重要组成部分，起到支撑风力机风轮和机舱的质量、承受吹向风力机组的风压和各种动载荷的作用。塔架的重量占风力发电机组总重量的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的15％左右。塔架必须要有足够的刚度、强度、优良的抗振性能和稳定性，才能保证风力机的正常运行。
　　本文基于ANSYS有限元软件对大型风力机塔架进行静态学分析、动力学分析、稳态分析及结构优化。首先根据实际风场的情况，选择塔型并通过计算给出合适的尺寸，确定塔架所承受的载荷如塔架的重力、机舱重力、风轮的作用力、风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭转力）等，采用有限元分析进行静力建模和数值计算，对塔架承受最大载荷时的最大应变进行强度校核；塔架的动力学分析包括模态分析、谐响应分析和地震谱响应分析。借助于有限元分析对塔架进行有预应力模态分析和无预应力的模态分析，研究在风力机转动激励下是否产生共振。借助于动力学优化改变塔架的尺寸使其固有频率避开共振频率，以避免因塔架在发电机的激励下共振产生的破坏，在模态分析的基础上进行塔架的谐响应分析和地震谱响应谱分析；塔架的稳态分析包括计算塔架的屈曲失稳形态，分析塔架结构和载荷对屈曲的影响，并提出增强稳定性的措施。最后，运用目标搜索的方法对塔架进行优化，优化参数是塔的外底半径、外顶半径、塔底壁厚和塔顶壁厚，搜索目标是塔架的第一阶频率、塔架的质量、塔架的最大应力和塔架的最大位移。在满足结构安全性前提下，使塔架用料最少，降低共振引起的破坏和降低经济成本。

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Contents

1绪论

1.1研究背景

1.2大型风力机塔架的研究现状及意义

1.3本文的研究内容

2.风力机塔架的静力分析2.1塔架的选型及尺寸的确定

2.2塔架载荷的确定和计算

2.3功率5MW塔架有限元静力分析

2.4结果分析与讨论

2.5本章小结

3.塔架的动力学分析

3.1塔架模态分析

3.2塔架地震响应谱分析

3.3塔架的谐响应分析

3.4本章小结

4.塔架的稳定性分析

4.1稳定性分析的概念及理论

4.2塔架在ANSYS中稳定性分析的过程

4.3屈曲分析结果和结论

4.4本章小结

5.塔架的优化分析

5.1结构优化理论

5.2ANSYS优化介绍

5.3在ANSYS中对塔架优化的过程

5.4优化分析的结果与分析

5.5本章小结

6.总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况