風電塔筒受力模型分析研究畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 定的值時，彎矩的增大會導致塔筒某一截面超出其屈服極限，發生局部失穩破壞。4．1 穩定性的計算方法4．1．1 失穩的類型結構失穩(屈曲) 是指在外力作用下結構的平衡狀態開始喪失，稍有擾動變形便迅速增大，最后使結構破壞。穩定問題一般分為兩類，第一類是理想化的情況，即達到某種荷載時，除結構原來的平衡狀態存在外，還可能出現第二個平衡狀態，所以又稱平衡分岔失穩或分支點失穩，在數學處理上是求解特征值問題，故又稱特征值屈曲。此類結構失穩時相應的荷載稱為屈曲荷載。第二類是結構失穩時，變形迅速增大，而不會出現新的變形形式，即平衡狀態不發生質變，也稱極值點失穩。結構失穩時相應的荷載稱為極限荷載。此外，還有一種跳躍失穩 [30]，當荷載達到某值時，結構平衡狀態發生一個明顯的跳躍，由于在跳躍時結構已經破壞，所以可歸入第二類失穩。比較以上結構失穩兩種類型的計算方法，第二類結構失穩分析方法求解過程復雜，對計算設備的水平要求較高，而第一類結構失穩的特征值分析方法具有求解效率高，易于實現等優點，工程計算中普遍采用這種方法。4．1．2 特征值求解方法通過對特征方程的求解，可以確定結構屈曲時的極限荷載和破壞形態。屈曲特征方程為 [30]： 0)]([????rGK式中：K 為剛度矩陣；(41)風電塔筒受力模型分析研究 30 G(r)為荷載向量 r 作用下的幾何(P —?)剛度；λ 為特征值對角矩陣；φ 為對應的特征向量矩陣。求解特征方程，得到特征值和對應的特征向量，用以確定屈曲荷載及其對應的變形形態。每一組“特征值—特征向量稱為結構的一個屈曲模式，利用計算機程序按照找到這些模式的順序從數字 1 到 n 為各模式命名。特征值 λ 稱為屈曲因子，它必須乘以 r 中的荷載才能引起屈曲，即屈曲荷載為屈曲因子與給定荷載的乘積。也可以將 λ 視為安全系數：如果屈曲因子大于 1，給定的荷載必須增大以引起屈曲；如果它小于 1，給定荷載必須減小以防止屈曲。屈曲因子也可以為負值，這說明當荷載反向時會發生屈曲。根據特征值求解方法，屈曲因子(安全系數) λ 大于 1 時，表明結構處于穩定狀態；小于 1 時，表明結構發生失穩破壞。λ 越大，則說明結構的安全性越好。4．2 塔筒的屈曲分析4．2．1 屈曲分析概述屈曲分析 [31]計算是為確保在特定載荷作用下，零部件不產生扭曲或屈曲，分析的目的是求解結構從穩定平衡過渡到不穩定平衡的臨界載荷和失穩后的屈曲形態。在結構的失效形態中，屈曲是其中的一種。對于受壓結構，隨著壓力的增大，結構抵抗橫向變形的能力會下降，當載荷達到某一水平，結構的總體剛度趨于零，喪失穩定性，此時若出現橫向的撓動，結構即會發生屈曲破壞。風力發電機組塔筒是一種薄壁圓筒結構，機組運行時，塔筒在外載荷的作用下發生變形和位移，作用在塔頂的軸向壓力會產生對塔筒各截面的彎矩，當外載荷達到一定的值時，彎矩的增大會導致塔筒某一截面超出其屈服極限，局部失穩，使得塔筒發生破壞，對于直驅式風力發電機組，由于其塔頂上方葉輪和機艙的質心位于塔壁以外，由此產生的彎矩對塔筒造成的影響更加突出，對塔筒進行屈曲分析，可以計算出在各種載荷情況下塔筒的結構是否滿足穩定性的要求，并為設計和優化提供必要的依據。蘭州理工大學本科畢業論文31計算塔筒的穩定性可以采用線性穩定性分析和非線性穩定性分析兩種計算方法，但是非線性穩定性分析方法求解過程復雜，對計算設備的水平要求較高，而線性的特征值分析方法具有求解效率高，易于實現等優點，在計算中可以采用選取較大安全系數來彌補計算誤差，工程計算中可以采取這種方法。本文對塔筒進行屈曲分析計算時，就是采用特征值方法來分析塔筒穩定性問題的。4．2．2 塔筒屈曲分析計算屈曲強度的分析可以用下列公式進行計算 [32～35] ：由軸向力和彎矩產生的應力 σ ad，σ bd為： RtNda??2?tMdb2簡化系數 ε 為： ???ab?.????根據彈性力學理論，臨界壓應力為： )1(32vtREdel??相應的局部屈曲細長比為： elydaf????根據彈性力學理論，懸臂梁的歐拉力為：(42)(44)(43)(45)(46)(47)(48)風電塔筒受力模型分析研究 32 2341HtRENdel??相應的全局穩定性細長比為： RtelCr???2塔筒中心半徑： k?最后的結果必須滿足下列不等式： crddeld tReNMNRt ????????22其中：Nd設計軸向力；Md設計彎矩；R塔筒半徑；t塔壁厚度；H塔筒高度；Ed設計彈性模量；ν泊松比；fyd設計屈服強度。4．3 塔筒在極限載荷情況下的穩定性分析工況下塔筒的屈曲變形出現在中間部位，主要是塔筒承受的彎矩大，而在極限情況下，塔筒的屈曲變形多出現在底部，是因為塔筒承受風輪、機艙以及自身的重量。在極限載荷下，風力機要停止工作，以減少風機承受的外載荷．一般情況下，停帆下風機承受的外力是工況下的 40％左右，并且極限載荷下塔筒的一階屈曲安全系數大于工況下的一階屈曲安全系數。因此，工況下的屈曲安全系數是判斷塔筒屈曲強度的依據。(49)(49)(410)(411)(412)蘭州理工大學本科畢業論文33第五章 塔筒的優化設計5．1 優化設計概述優化設計是 20 世紀 60 年代初發展起來的一門學科，它是將最優化原理和計算技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法，利用這種新的設計方法，人就可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計效率和質量。因此，優化設計是現代設計理論和方法的一個重要領域，它已廣泛應用于各個工業部門 [36～38] 。機械產品的設計過程，一般包括：產品的市場調查、產品方案的設計、技術設計、零件圖繪制等環節。傳統的設計方法只是被動的分析，沒有主動的對產品進行設計，設計周期長，沒有體現真正的設計含義。目前在風電機組塔筒的設計中，多是參照其它同類產品的尺寸或經驗類比進行估算，然后進行強度、剛度的計算，檢驗性能是否達到要求，這種方法誤差較大，往往得到的都不是最優的尺寸，有改進提高的余地。塔筒是風力機的主要部件，是風力機的主要受力部件之一。對塔筒進行優化設計，可以提高材料的利用率，減少材料的浪費，降低成本的目的。塔筒參數如底部直徑、頂部直徑、各段壁厚等直接決定了塔筒的造價以及其安全性能。對塔筒參數進行優化設計，就可以在保證結構的強度、剛度和穩定性的前提下，減小塔筒重量，進而降低成本 [39]。本章以塔筒壁厚為設計變量，塔筒質量為目標函數，塔底應力、塔頂變形、一階固有頻率與一階屈曲因子的控制指標為約束條件對該塔筒的優化設計進行了初步探討。5．2 優化設計要素(1)設計變量設計變量是指在結構設計中可調整的設計參數。根據本文所研究錐筒型塔筒的結構特點，可以選擇的設計參數有：塔筒高度、塔頂直徑、塔底直徑與塔筒壁厚等。風電塔筒受力模型分析研究 34 部分滿足約束條件塔筒高度主要取決于風電場的地形特點、風資源特點、安裝條件與單機容量等因素；塔頂直徑需參考機艙的尺寸進行設計；塔底直徑主要受過橋限高、限寬的限制。在此取塔筒的分段壁厚為設計變量。(2)約束條件約束條件是結構設計中必須滿足的限制條件，根據約束的性質可以把它們區分為性能約束和側面約束兩類 [40]。在本文中塔筒壁厚必須取為整數。(3)目標函數目標函數是評價一個結構設計優劣的衡量指標。本文對塔筒進行優化的目的在于降低成本，減輕塔筒重量，因此以塔筒質量為目標函數。5．3 優化設計流程假定塔筒各段壁厚范圍選取代表尺寸組合進行計算重新定義壁厚范圍所有尺寸組合指標校核選出符合條件最優組合結束均滿足約束條件蘭州理工大學本科畢業論文35圖 51 優化設計流程5．4 優化設計實例本文采用塔筒的壁厚為設計變量，以材料的許用應力為約束，以塔筒的體積為目標函數進行優化設計，最終可以得到圓筒型塔筒壁厚的最優值。對 風力發電機組的塔筒進行優化設計，高 62m，底部直徑 ，頂部直徑 ，材料為Q345，重 ，底部的壁厚為 ，頂部的壁厚為 。優化的設計變量為塔筒塔頂和塔底的壁厚，塔筒的狀態變量是以材料的屈服極限為基準的許用應力，安全系數為 ，材料的許用應力為 276MPa；優化的目標是在 60m/s 的極端風速載荷作用下，塔筒的體積最小，質量最輕，并且塔筒的最大應力小于材料的許用應力。對優化后結果取整后得到，塔筒的塔底壁厚 18mm，塔頂的壁厚為 8mm，塔筒的體積為 。對 風力發電機組塔筒的壁厚進行了優化，優化后塔筒的質量減少了 ％，經校核滿足強度要求。優化前后數據的對比，如表 51 所示。表 51 塔筒優化前后的對比塔底壁厚 塔頂壁厚 體積 質量優化前 20mm 12mm 優化后 18mm 8mm 以優化后的塔筒尺寸計算不同載荷工況下的應力值，計算結果表明塔筒優化后的尺寸滿足塔筒的強度要求。如表 52。表 52 塔筒優化后的校核載荷情況 額定風速 切出風速 極端風速最大等效應力（Pa） 108 108 109最小等效應力（Pa） 107 107 107風電塔筒受力模型分析研究 36 最大位移（m） 蘭州理工大學本科畢業論文37第六章 結論與展望6．1 結論本文以某風電場 風力發電機組錐筒型塔筒為研究對象，對風力發電機塔筒的力學模型建立、受力分析、屈曲分析、優化設計等幾個基本問題進行了研究。最后以這些指標為約束條件，塔筒壁厚為設計變量，塔筒質量為目標函數，對該塔筒的優化設計進行了初步探討。經過研究分析，可以初步得到以下結論：（1）對 風力發電機組進行了載荷計算，得到了 風力發電機組在額定風速、切出風速、極端風速下的載荷。為風電機組的載荷設計計算提供了依據。（2）通過在額定風速、切出風速與抗最大風速工況下進行塔筒的受力與屈曲分析，可知在切出風速工況下對塔筒的受力與穩定性影響最大。（3）機組運行時，塔筒上應力分布并不是均勻一致的，而是隨著高度的不同其應力狀況有所變化，這主要是因為不同高度處塔筒的簡徑、厚度不同，造成塔筒隨高度不同而變化的強度分布。（4）塔筒的最大應力一般都出現在塔筒底部，故要對塔筒底部尤其是門洞附近要采取加固措施。門洞對塔筒基底應力、塔頂位移以及固有頻率的影響很小，而對發生失穩破壞的影響較大，因而在進行塔筒屈曲分析時不能忽略門洞的影響。6．2 展望風能作為一種清潔的可再生能源，必將在世界各國的能源領域占有越來越重要的地位，而風力機是大規模開發利用風力資源所必須的設備。因此，對風力機特別是水平軸風力機的研究必將長期持續下去。由于我國的風力發電事業起步較晚，技術水平落后于國際先進水平，我們不僅需要積極引進國外先進技術，更應該建立自己的研究平臺，掌握風電塔筒設計的核心技術。因此在風力發電機組塔筒的分析上提出以下建議，以便為后續工作的順利開展奠定基礎。（1）對影響塔筒性能相關的各種基本問題進行研究。其中，研究塔筒對地震載風電塔筒受力模型分析研究 38 荷、尾流場效應的系統響應規律，應是當前研究的首要問題之一。（2）在考慮風荷載時，本文將風荷載等效成靜力施加在塔筒上，與風場模擬與風洞實驗結果必定存在一定的誤差，需要在下一步的工作中繼續進行深入的分析和研究。（3）機組運行過程中，由于風速風向是不斷變化的，塔筒的受載既有周期性又有隨機性的特點，將來還應對其進行疲勞強度分析。蘭州理工大學本科畢業論文39參考文獻［1］劉萬琨，張志英，李銀鳳等著．風能與風力發電技術［M］ 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