风力机塔架疲劳寿命分析.docx

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1、 2017 届毕业设计（论文）题 目；风力机塔架疲劳寿命分析专 业： 机械工程班 级： 机械1307姓 名： 赵向杰指导老师： 杨谋存起讫日期：2016.12-2017.6摘要3第一章 概述71.1课题研究的背景及意义71.1.1 风电行业发展现状71.1.2 风力机简介81.1.3 风力机塔架简介91.2 风力机塔架疲劳寿命分析的意义101.3 国内外研究现状111.3.1 国外研究风力机塔架的现状111.3.2国内研究风力机塔架的现状121.4 本论文所做的工作12第二章 风力发电机组结构及其分析理论132.1 风力发电机组的结构及其关键部件132.2 有限单元法理论142.2.1 有限元

2、法简介142.2.2 有限元的基本理论182.3 有限元分析软件 ANSYS182.3.1 ANSYS 软件的基本组成、功能18第三章 风力机塔架的静应力分析202.1引言202.2 水平轴风力机机理202.3塔架的理论计算212.3.1塔架的力学模型212.3.2塔架的载荷简化223.3 塔架的有限元建模233-3-4 底座的网格划分263.4 应力计算及snsys模拟分析273.5 本章小结33第四章 风力机塔架的疲劳分析评价354.1 疲劳分析的基本理论354.1.1 结构的疲劳定义354.1.2 影响结构疲劳的主要因素354.1.3 结构疲劳的研究方法364.2 塔架的疲劳ANSYS分

3、析基本原理374.3 ANSYS疲劳模拟分析404.4 本章小结41第五章 结论与展望42参考文献44致谢46摘要新生能源正在逐渐崛起，也正慢慢的影响着我们的日常生活。其中最为瞩目和令人称道的便是风能。风能现如今被认为是最具开发潜能和实效作用的清洁能源，其所能利用的价值不可估量。风能，顾名思义，最主要的能源来源取自风力，通过一系列运作，达到风力发电的效果。当然，风力发电也并非易事，基本需要诸多繁琐的流程，才能达到理想的效果。它的塔架需要经受多种载荷，并且因为剪切风、阵风等缘故会导致振动，从而造成风力发电机组的损坏。因而，对风力机塔架实行动静态的特质分析有着不一般的意义。也未解决后期风力发电可能

4、会面临的问题做足思考和准备，以备不时之需。 本文在思考某定型风力发电机组塔架结构特性和受力特质的基础上，设立了变截面筒型塔架的力学结构模型。在结构动力学原理上，推理出了塔架顶尖水平位移、基频的计算公式和在综合考虑叶轮、机舱及塔架自重共同影响下的临界力计算公式;分析了塔架的固定参数及载荷对整机的稳固性和疲劳特质的影响作用。并运用有限元法和ANSYS 软件对塔架实行动静态特性的模拟数值分析。主要内容和结论如下： 1.运用有限元数值模拟的结果与运用概念计算得出的结果十分相识，考证了有限元模拟的准确性。塔架底端开门洞和在不同的风速下变桨角导致了塔架上边各部件要点的改变对塔架静强度产生了轻微的作用。因而

5、，我们在对风力机塔架实行力学分析和设计计算时应该从实际情况分析思虑。 2.对塔架实行振动特质和响应分析，在对几类差别模型的数值进行模拟分析，得出塔架底部机头的品质和底部根基的强度对塔架的固定频率有一定的影响。通过对动态的响应分析，能够得出塔架在不同的频率下的回应，峰值和频率所相对结构的变形和合力；并且通过计算得出塔架在各时间的位移、速度和加速度，进而为对风力机的优化设计务实了根基。 3.对塔架实行收缩统计，充分利用 ANSYS 数值模拟分析，同期在塔筒接连处，运用实体单元对法兰盘模拟结果进行计算有很高的精确性，可以实现一般工程的运用，而且比现今工程计算更加的安全。相对于底层开门洞的塔架，门洞处

6、区域可能会引起收缩失衡。薄壁圆柱壳是相对缺陷敏感的结构部分，需要考虑到门洞对收缩的作用，同期运用门框强化结构，可能会增加塔架的收缩印度。 4. 对塔架实行疲劳统计，能够得到塔架的疲劳寿命基数，测验风力机塔架的应用寿命状况，校正核塔架的疲劳使用强度。 关键词：风力机塔架；有限元；振动特性；屈曲；疲劳寿命 Abstract Wind energy is currently the most promising development and utilization of a renewable energy. One of the main ways of wind energy utilizat

7、ion is wind power generation. However, the working environment of wind turbine system is very complicated, and its tower is subjected to various loads, and shear wind, gust and so on cause vibration, which leads to the destruction of wind turbine. Therefore, it is of great significance to analyze th

8、e static and dynamic characteristics of the wind turbine tower. In this paper, the mechanical model of variable cross - section cylindrical tower is established by combining the structural characteristics and the characteristics of the tower of a certain type of wind turbine. Based on the structural

9、 dynamics principle, the calculation formula of horizontal displacement and fundamental frequency of tower top and the calculation formula of critical force under the combined action of impeller, engine room and tower weight are deduced. The specific parameters and load of tower are studied. Stabili

10、ty and fatigue properties. And the finite element method and ANSYS software were used to simulate the static and dynamic characteristics of the tower. The main contents and conclusions are as follows: 1. The finite element numerical simulation is close to the theoretical calculation, and the correct

11、ness of the finite element model is verified. The opening of the tower at the bottom of the tower and the pitch at different wind speeds cause the change in the center of gravity of the components above the tower to have a certain influence on the static strength of the tower. Therefore, in the wind

12、 turbine tower for mechanical analysis and design calculations should be considered according to the actual situation. 2. The vibration characteristics and response analysis of the tower are analyzed. Through the numerical simulation of several different models, the quality of the bottom of the towe

13、r and the stiffness of the bottom foundation have a great influence on the natural frequency of the tower. Through the dynamic response analysis, the response of the tower at different frequencies and the deformation and stress of the corresponding structure of the peak frequency can be obtained. At

14、 the same time, the displacement, velocity and acceleration of the tower are calculated at the same time, so as to lay the foundation for the optimization design of the wind turbine The foundation. 3. The buckling analysis of the tower, the use of ANSYS numerical simulation, at the same time in the

15、tower connection, the use of solid elements on the flange simulation results have a high accuracy, to achieve the general application of engineering, and than the current engineering calculations Biased towards safety. For the bottom of the tower to open the door, near the hole may occur buckling in

16、stability. Thin-walled cylindrical shells are defect-sensitive structures that take into account the effect of the door on the buckling, while the use of the door frame to strengthen the structure will increase the buckling strength of the tower. 4. Fatigue analysis of the tower, you can get the fat

17、igue life of the tower coefficient, test the life of the wind turbine tower, check the tower fatigue strength.Key words: wind turbine tower; finite element; vibration characteristics; buckling; fatigue life第一章 概述1.1课题研究的背景及意义1.1.1 风电行业发展现状世界各地的风能资源是可再生的，每年的产量也很多。由于风速是非常随机的，因此必须要通过长期的观测才能知道风速的资源潜力。此外

18、，因为某些方面例如观测技术的限制，无法在极其准确的范围内精准估量地球所潜在风力资源。因而在技术方面，还是留有很多发挥的空间。也正逐渐地引领我们去发掘。的根据气象局估计的报告显示，水资源也仅仅是风能资源的十分之一，如果根据平均6.9米/秒的风速计算的话，全球的可用风能资源大概是72万亿千瓦时。大约在2020年之前，只要能开发出三分之一的风能资源即可满足世界的生活需要1。风电行业发展的步伐飞快。全球风电29的增长率维持了将近十年。全球的风电装机在2016年年底之前已经达到了94000MW。从一些国家调查的装机数据显示，德国，美国和葡萄牙的数量位列前三。德国24.7，美国18.6，葡萄牙15.2。到

19、2008年底，装机容量超过2000MW的国家就已经有十个了。表一是全球装机数量前十的国家名单。表 1 2016年装机容量前十的国家国家MW德国2224724.7美国1681818.6葡萄牙1514515.2印度80008.5中国60506.4丹麦31253.3意大利27262.9英国24542.6其他1301913.8 我国对于风力发电的规模有着很长远的计划。根据国家现有的风力发电规模，我国将在2020年实现风力发电规模规模的扩大化，即实现在2020年达到总体装机容量达到3000万千瓦。纵观国家总体情况，实际不容乐观。据调查，2015年，我国的风力发发电能源的总体装机容量还不足130万千瓦。相

20、较于西方国家还具有很大差距。基本占据全世界总体风力发电装机容量的0.17。这是具有很大差距的。因此，对于未来中国的风力发电能源的开发，还有很多路要去涉足和探索。这是一条极其漫长的道路，却足以改变一个国家的命运。路虽长，但还是要走。1.1.2 风力机简介风车/风力机(wind machine)是一种将风能转变成成机械能的装置。风力机由来已久，其发展也经历过岁月的打磨，因此具有很长的发展时间和历史。风力机总共包含有两种机型，分别是垂直轴风力发电机和螺水平轴风力发电机这两种，如图1-1 ， 1-2所示。风力机的主要构造包括机舱，叶片。底座和塔筒，这些构造组成了风力发电机的主体，也十分具有实用效用。大

21、型风力机的塔筒呈圆锥形，下面直径大，上面直径小。风力发电机的使用原理和他的构造不无关系，叶片的作用也因此而发挥出来，当叶片受到来自于风的作用从而发生力矩，叶片转动起来，这种操作可以使风能转化为机械能，然后再经过发电机和变频器等组合为整体系统发电，最后一步便能够将机械能转化为电能。 图1-1 水平轴风力机 图1-2 垂直轴风力机1.1.3 风力机塔架简介风力机的主要受力部件是塔架，如图1-3所示。它要承受风力机叶片的重量，已经叶片转动的时候的扭矩，此外还会受到平行风的风载荷。这也就可以很好的解释了为什么整个风力机塔架在总体设计上所呈现的下大上小的现象。陆地上的风力机塔架所经受的交变载荷主要是来自

22、于风直接工作在塔架上的气动载荷产生的，风对风轮产生作用，然后将其传送到塔架的载荷和风轮工作进程中产生的震动。因此有限元已经成为搭架设计的必要工具。早期设计的风力机对疲劳重视不够，导致了疲劳失效频发如图1-4所示，因此为了长远的考虑，在为了确保其整体质量和水平的基础上，现如今的大型风力发电机组常常运用锥形塔筒来进行发电装置的组合，这样能够确保发电机组整体的完整性和总体发电的强度。在保证质量的同时，也注重了其整体的实用性和整体观感。这样不仅有利于发电的完美运作，还做到了普通运输的方便。这样的改变是十分具有意义和可持续性。现代基本所有的大型风力发电机组都普遍采用锥筒式的方法进行搭架。这类方式的搭架通

23、常由若干段不等长度的锥筒用法兰接连形成，搭架由下向上逐渐变小，展示出整体的圆台形结构。这类变截面增强厚度的结构模式让不同段的惯性矩以及线品质和抗弯强度等基本参数都不再一样。因此，搭架的有限元分析建模很复杂。 图1-3 风力机塔筒 图1-4 风力机事故1.2 风力机塔架疲劳寿命分析的意义风力机塔架作为整个风力发电机组系统的最关键部件，在技术方面有一定的难点和重点，这是不能忽视的。能够保证风力机正常平稳运行主要的决定性因素是靠它的质量。风力机因为它的工作的条件比较苛刻，而且还要保证它的正常使用寿命在20年，因此，其需要塔架需要满足下列条件：很高的疲劳强度以及优良的使用性能，能够承受得住随机载荷和暴

24、风这些非常极端恶劣因素的测验。塔架在原来规定的外部基础条件上，设计能够在稳定的支撑风轮和机舱（包括发电机和传动系统）工作的载荷情况下，这样能够最大程度上保证风力发电机组正常安全的运行机制。其次我们可以通过对计算的分析研究或者是实验对确定塔架的固定频率和阻尼特质，从而对塔架运行风轮旋转造成的震动，或者是风引起的顺风和横风向振动进行计算结果分析统计，让其能够在规定的设计状况下满足运行的稳定性和变性的限制条件。最后通过对塔架的基本设计，材料的选择和防护措施应对能够很大程度上缩小它的外部因素对塔架安全性和完全性的限制。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究风力机塔架的现状西方国家在风力机技术的开发

25、和使用中研发比较早，诸如美国、德国等国家，他们长期在技术上处于遥遥领先的地位，在对于塔架疲劳的有关问题上的分析也实行了大量的信息探讨。IEC61400-13是IEC系列条件中触及风力发电的载荷检测部分标准，主要是在对于水平轴大型风力发电的规范性描述分析。这个标准为我们提供了风力机载荷监测的相关方法和技术条件，能够作为检测指南进程考证或直接确定它的结构载荷。考虑到了结合非周期载荷和随机载荷的组合，使用功率谱来表述疲劳载荷。文献主要考虑确定性载荷，使用简单的方式计算气动力，重力和陀螺力。用时域方式来处理随机疲劳载荷问题。塔架的疲劳载荷谱可以由计算得出，也可以由测验方式得出。如国外的Wisper载荷

26、谱，是在模拟分析塔架的应力载荷，衡量了欧洲9个不同种类风力机载荷基础上得出的。该谱现在已经用于风力机塔架材料和结构的细节评估上，疲劳寿命的预估分析。是对恶劣条件下风力机行为和载荷的研究分析，其中主要评估了塔架底端主要区域的应力分析统计，并对它的周期性载荷变量实行研究。利用Sway Company提供的寿命评估程序Simapro，模拟风力机系统。现今为止，针对风力机疲劳分析统计已经实行了大量的研究分析，但在相关复合材料的应力损坏并不常见，而且它的技术也不算成熟。例如Taleja的食量损伤模拟3。指出Miner线性累积损伤法则适用于金属疲劳失效模型。尽管如此，大多数文献任然采用Miner线性累积损

27、伤法进行寿命预测。 1.3.2国内研究风力机塔架的现状纵观我国总体情况和基本国情，对于风力发电的研究，我国的总体研究的起步是出于比较微弱的状态，即起步和发展相对较晚，也对于此方面没有太多丰富的经验和具体的实践。因此，我国的风力发电装置的寿命也相对较短，基本没有能够超过20年的大型风力发电机组。这和我国具体实践的缺失不无关系。实践数据的缺少，才致使我国对于发电机组寿命的提高一直没有可观的进展，因此才产生了一些技术上难以攻克的难关。困难是固定存在的，同时也是无可避免的。技术和实践数据的缺失造成了我国至今没有研究出大型的风力机塔架的实际测验疲劳载荷谱。但是如果能够依据给定的情况便可以很容易的推测出疲

28、劳载荷普，这种方式的操作实际上是相对简单易懂的。在对风力机塔架使用的玻璃钢材料的疲劳特性上实行了研究分析，使用典范推选的简化疲劳载荷谱，使用了Apple和Besquin两种S-N关系式曲线分析了叶片上存在的疲劳状况，并经过研究分析指出，因为Apple公式在材料的长寿命区域递减性很大，而材料的疲劳强度较低，不适合塔架高循环次数低于应力载荷谱的特性，而典范推荐的Besquin所应用的S-N曲线是比较合理的。在利用ANSYS有限元解析软件的基础上，对2MW的复合材料风力机塔架结构实行有限元建模，以及静力学分析和模态分析4。主要从风力机的疲劳载荷寿命条件出发对风力机疲劳问题实行了研究分析。确立了风力机

29、疲劳分析的基本方法和步骤，之后由疲劳载荷谱计算得出塔架的疲劳寿命。在DASP软件的疲劳分析方法基础上，主要应用复合材料应力循环特质对结构承受的交变载荷实行统计结果分析，之后进行破损度的计算寿命预估。1.4 本论文所做的工作 风力机搭架疲劳寿命分析可通过疲劳试验和疲劳计算两种方法，疲劳试验的方法在风力机搭架的国家标准做出明确的规定，因为疲劳试验须要对全部尺寸的风力机搭架实行程序普或者是幅谱载荷的加载实验，运行结束之后，需要对试件实行分解检查和端口分析，但是因为受到诸多实验条件的限制，不能正常进行。本论文选取计算方法进行搭架疲劳分析。 第二章 风力发电机组结构及其分析理论2.1 风力发电机组的结构

30、及其关键部件细数风力发电机组的种类，可谓是品种繁多，各式各样，难以一一叙述清楚。但由于风力发电机组主要是凭借将大自然的风能转变为机械能，其最主要的能源来源是因为受到了因风力的作用而带动的发电机组的风轮的因素，在高速旋转下而产生相应的能源反馈，到达发电的效果。因此，在风轮方面，风力机可以凭借风轮的基本构造模式和风轮所处的地理位置所能收到的气流影响而可以分为两种类型，分别是垂直轴风力机和水平轴发电机。而本次课题讨论的重点便是水平轴发电机。水平轴风力机的外形如图 2-1所示，风轮绕着一个水平轴旋转，运行的时候，风轮的旋转平面和风向是垂直的。风轮上的风片是径向安装的，和旋转轴互相垂直，并与风轮的旋转平

31、面成一角度 (安装角)。风轮叶片的数量，主看风力机的用途来确定。用于风力发电的风力机一般叶片数需要 14(大多为 2 片或 3 片)，叶片数使用少的风力机平常称为高速风力机，是因为它在高速工作时有比较高的风能利用系数，但是它的起动风速很高。因为它的叶片数较少，在输出功率同等的条件下比低速风轮要轻很多，因此比较适用于发电。 水平轴的风力机主要是由以下几部分组成：风轮、传动机构(增速箱)、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等。其结构图见 2-2。 风轮叶片装在轮毂上被称为风轮，它包含叶片、轮毂等。风轮作为风力发电机接收风能的主要部件部件。现今的风力发电机的叶片数，通常为 14

32、枚叶片，经常用的是 2 枚到 3 枚叶片。因为叶片是风力发电机接收风能的主要部件，因此叶片的扭曲、翼型的各类参数和叶片结构都可能会直接影响叶片接收风能的效率和叶片的使用寿命。叶片顶端在风轮转动中所形成圆的直径称风轮直径，也称为叶片直径。现如今的中国，已经在新能源的开发利用上取得了突出的成果和发展，在清洁能源的产业化方面也取得了突出了成就和可观的未来前景。不论是太阳能光伏的发展还是其他清洁能源的开发利用方面，都已经具有了初步规模。且一部分的能源产业也实现了商业化。但纵观全世界，在发达国家面前，我们的能源产业毕竟还只是处于起步阶段，与其他发达国家相比，差距还是相当明显的。这一点所展现的方面可能也不

33、止一点两点。在整体的规模，技术，发展水平方面，或是开发能源的基本数据实践和速度上都有着或多或少的距离。在新能源异军突起的现代中国，各大商业企业应该秉持着一种发展的信念，为中国能源的未来做出自己的一份贡献。特别是风力发展并不特别完善的时期，风电企业就更应该积极研发出具有创新实效和具有完全自主知识产权的新一代风力发电机组，在各个方面诸如设计理念，寿命延长和基本技术方面达到应有水平和效果。只有一直秉承发展信念，才能够为我国逐渐发展的风电系统提供可靠的技术支持和可靠援助。并开发出成本低的新型风力发电大容量机组，为我国风力发电的前景做足准备和支持。这些，是每个新能源企业义不容辞的责任。 本文分析的关键部

34、件塔架一般为圆形筒塔架，用于支撑整个风机上部及其他辅助功能。塔架内部装有爬梯和安全绳以及工作平台，控制系统放在塔架内部的平台上。目前风力发电技术的一个显著趋势是塔架高度的增加，这样可以提高风能的利用率。据有关资料显示，从 80 年代初到 1994 年，塔架平均高度由 18M 增加到 35M，到 90 年代末已达到 40M。而近年来各国新研发的风机，塔架高度都显著增加，最高已达到 100M左右。随着塔架高度的升高，在对塔架的结构特性和力学特性的设计中对整个风力机的过程尤为重要。2.2 有限单元法理论2.2.1 有限元法简介1.有限单元法基本思想及其发展史有限元法(Finite Element M

35、ethod. FEM)，也称为有限元法（FEM）或有限元法（FEM）是一种数值方法的结构分析。矩阵法在结构力学和弹性力学中的发展与应用。基本的想法是，弹性连续介质有限元，他们互相连接在一个有限数量的节点，在一定的精度，为每个单元与有限的参数来描述的力学性能和连续介质力学性能可以被认为是一个小笔这些机械性能，从而建立一个平衡连续性方程。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法5。2国内外有限元分析发展现状 采用有限元分析方法和计算机硬件和软件的发展，有限元分析软件与CAD系统的集成逐渐成熟，有限元分析方法已被广泛应用于许多领域的科学和工程研究。1943柯朗首先提出一个原始的全断面

36、连续离散化的概念（离散）分成若干分段连续的单元，并首次尝试分段连续函数和三角形单元的组合应用的最小势能原理求解扭转问题。1956、m.j.turner和r.wclough等人的应力和变形分析结构的直接刚度法，数字计算机的应用给解决压力问题第一时间是通过复杂的平面三角形单元计算。1960，R.W.Clough提出了“有限元”的第一次。有限元法作为一种数值分析方法，在工程技术领域得到了广泛的应用。1965、o.c.zienkiewicz等人提出了一种可应用于所有领域的问题可以在变分法的形式计算的有限元法。从1968年初开始，大量的数学文献的有限元方法已经公布，有限单元法的基本理论是近似理论，是一种

37、结合偏微分方程和变分和功能分析，并致力于多种细胞类型，收敛速度和稳定性的估计误差的离散6。3. 有限元方法典型分析步骤有限元分析的主要步骤是：离散化的连续是一个给定的物理系统划分成等效有限元系统。必须确定单元的类型、数量、大小和排列，以便合理和有效地表示给定的物理系统。位移模型假定的位移函数或模型只近似表示真实位移分布。在实践中，没有多项式可以完全相同的实际位移。用户必须做的是选择多项式的顺序，以便它可以实现足够的精度，在计算时间是可用的7。利用变分原理导出单元刚度矩阵，用单元刚度矩阵将节点位移与节点力联系起来。将物体的分布力转化为节点处的等效集中力。整个离散连续的代数方程组的收集，即，每个元

38、素的刚度矩阵被纳入整个连续的刚度矩阵，和每个元素的节点力矢量被纳入总的力和负载向量。在实际工作中，上述有限元分析只是计算机软件处理的一个步骤（有限元程序）。为了完成工程分析，需要更多的预处理和后处理。通过以上分析可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，划分为单元分析，并对整体结构进行综合分析。2.3 有限元分析软件 ANSYS2.3.1 ANSYS 软件的基本组成、功能 本文所采用的 ANSYS 软件是美国 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件。能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究8。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电

39、子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用9。在世界各行各业中，ANSYS得到了广泛的应用并取得了成功。这些年，它一直排在有限元分析（FEA）排名第一的软件，它是通过IS09001质量第一认证的分析设计软件，也可通过美国机械工程师协会（ASME）和美国核安全局（NQA）标准分析，首次在中国压力容器标准化认证委员会获国务院17部委批准10。预处理模块提供了强大的实体建模和网格工具，参数设置功能和CAD软件无缝集成能力。该软件提供了超过100种类型的单位来模拟每个项目结构与材料。在几何建模中，ANSYS不仅具有点、线、面、体依次生成的顺序而生成几何模型的自顶向下的

40、建模方式，还具有通过调用几何体素和采用布尔运算而生成几何模型的自顶向下的建模方式11。 2.3.2 ANSYS 软件在风力发电机组中的应用 本文利用ANSYS软件对风力机关键部件的静应力进行了分析，并采用结构静力分析方法解决了外部荷载引起的位移、应力、应变等。静态分析是完美的惯性和阻尼问题不明显。ANSYS程序的静力分析不仅可以分析线性、非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变和接触分析。 第三章 风力机塔架的静应力分析2.1引言 对于工程结构而言，我们经常使用结构分析方法中的结构静力来对其进行分析。这种结构形式和材料是各种各样的，种类繁多，它具有和其他机器不一样的设计标准和设计理念，但

41、是对于其内在的设计过程，还有分类分析是相同的。对于分析结构的内力还有结构，它的与线弹性分析是我们不容忽视的一个非线性特质，之后再依照内力对它的结构设计还有静力强度进行分析是一种普遍的应用，是在其他类型的结构设计基础上的分析11。塔架作为风力机的重要链接设备，因此，我们需要计算出塔架应力变形的足够强度和刚度来预防危险，以次保证机器在不同风荷载下的正常运转。根据结构和大型风力机的力学特性，建立了横向钢管塔的计算模型。基于结构动力学原理，利用ANSYS有限元软件ANSYS，分析了叶片上部水平位移、不同风速下的静强度和风机塔架的静强度变化对叶片静强度的影响。 2.2 水平轴风力机机理 自然风通过其顶部

42、叶轮为其提供动力，以此使水平轴风力涡轮机运转。当风通过叶轮时，风速下降，一些能量传递给风力涡轮机。风是大气运动的产物，他主要以动能的形式表现出来，大气动能可以表示为： 式中： 为大气通过叶轮的动能；w 代表在尾流远端的情形； m 为通过叶轮的大气质量；V 为大气通过叶轮的速度。 如图 2.1 所示，当水平轴风力发电机组受风时叶轮运转状况，大气质量主要是叶片产生的包含叶轮受风面积的数量。因而，在空气密度为 ，一定时间经过叶轮受风面积的大气质量 m 可以表示为： 式中： A 为叶轮受风面积。 依照式(2.1)和式(2.2)可以得到风力发电机组受风面积的大气动能：从公式（2.3）可以推出，风的运转能

43、量与运行风速的三平方为正比。因此，风力涡轮机是风力涡轮机的一个重要因素。风机是风区的代表，风力涡轮机可以通过风能获得能量，但需思考效率（能量转换率）。风力涡轮机的功率，那么，应该是风力涡轮机的顶级和高效率的产品12。2.3塔架的理论计算 2.3.1塔架的力学模型 现今大型的风力机是以锥高耸钢结构为主的，依照力学特质的几何特征能够总结为一套弯曲变形、轴向压缩变形与繁琐的梁来整合问题的变形。发动机室、轮毂和叶片的重量是安装在塔的顶部，同时考虑从塔中心的集中力的弯矩。2.3.2塔架的载荷简化依照其运行的基本原理，塔架的运转，需要承受的主要载荷有：1. 水平轴向推力 式中 为空气密度，； 为叶轮半径，

44、； 为风力机的额定风速，； 为风力机推力系数。2. 沿塔架高度方向集中压力 式中 为叶轮质量，； 为机舱质量，； 为重力加速度，。3. 风压大小风压是受到来自于垂直于大气流方向的平面所受到的风的压力而形成的，依照伯努利方程可以推出风压关系。风的动压为： 其中 为风压，； 为空气密度，； 为风速，。 由于空气密度和重度的关系为，因此有。在（1）中使用这些关系可得到： （2） 在标准状态下（气压为1013hPa，温度为15），空气重度r=0.01225，。维度为45处的重力加速度为： 最终得到风压计算公式为： （3）3.3 塔架的有限元建模1.建立几何模型大中型风力发电机组主要采用以锥筒型塔架为主

45、的形式。其塔架主要由若干段不对等的20-30 米的锥筒连接形成，塔架从下往上其直径是逐渐缩小的。在分析过程中，忽视塔架本身强度、自振特质、稳定性没有主要作用或者承受载荷状况不是主要部位是影响较小的条件，建造塔架的一般几何模型。既可以减轻建模的运行工作量，且不会影响分析结果的准确性。塔架拆建为底端锁定、顶端轻松的空间薄壁圆筒形结构13。本次课题采用ansys中新版本workbench15.0进行几何建模。首先打开workbench15.0，运行界面如图3-3-1所示： 图3-3-1 workbench运行界面 在Analysis Systems模块中选择Static Structural（结构静

46、强度分析）。打开窗口如图3-3-2所示。 图3-3-1 双击Geometry进入到草绘模式。风力发电机的塔筒是由三段圆锥筒经过螺栓耦合连接而成。塔底直径为3.955米，塔顶直径为2.655米。三段塔筒的高从下往上具体为:24.9米，24.75米，16.4米。三段塔筒是三个独立的个体，点击菜单栏中的Tools命令，选择connect进行三段塔筒的连接，由此可以代替螺栓连接进行耦合处理14，塔筒的建模如图3-3-2所示：图3-3-2 塔筒的几何建模 2 生成有限元模型 挑选合适的结构类型和形状及相对的网格对有限元计算而言是非常紧要且关键的。根据板壳理论得出，薄壳结构是：塔筒结构的曲率半径和壳厚度之比(R/t20)。薄壳的基本假定也称为 Kirchhoff-Love(克希霍夫勒夫)假定，其内容主要有下列几点；(1)同薄壳表面相互垂直的直线，在经过变形后同原来垂直线一样，长度不会变化；(2)平行的表面元素的正常压力和其他压力相比可以忽