大型風(fēng)力機(jī)塔架的仿生學(xué)設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能分析.pdf

1、塔架作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵性承力部件對(duì)風(fēng)力機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。風(fēng)力機(jī)的大型化、高聳化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)塔架的力學(xué)性能提出了更高的要求。仿生學(xué)概念下的植物多體系統(tǒng)可為塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。本文基于對(duì)塔架研究現(xiàn)狀的全面認(rèn)識(shí)，以現(xiàn)存問題及未來發(fā)展為導(dǎo)向，引入仿生設(shè)計(jì)理論，通過對(duì)仿生設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)研究及應(yīng)用，提出仿竹型塔架結(jié)構(gòu)，利用有限元方法對(duì)該型塔架的靜動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。具體的研究?jī)?nèi)容情況及得到的主要研究結(jié)論如下：
　　1)提出了

2、結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)理論在塔架結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，建立了基于竹子節(jié)狀結(jié)構(gòu)的仿生塔架模型。在研究總結(jié)相似理論和系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的具體方法和一般設(shè)計(jì)流程并應(yīng)用在塔架結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)。選擇竹子為生物原型，從結(jié)構(gòu)、功能、載荷及約束三個(gè)方面對(duì)塔架與竹子的相似度進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了生物選型的合理性。分析提取竹子的節(jié)狀特征結(jié)構(gòu)用于塔架設(shè)計(jì)，提出了具有5個(gè)加強(qiáng)節(jié)的仿生塔架并建立了塔架的幾何模型。
　　2)建立了原型塔架及仿生塔架

3、的有限元模型并對(duì)其靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了仿生塔架靜動(dòng)態(tài)性能的提升作用。ANSYS分析結(jié)果顯示：仿生塔架的頂端位移較原型塔架減小了4.75％，仿生塔架的剛度得到提高；仿生塔架的應(yīng)力分布較原型塔架更加平緩且最大應(yīng)力在加強(qiáng)節(jié)上，仿生塔架的應(yīng)力分布得到改善；塔架的固有頻率在合理區(qū)間，不會(huì)引起共振，仿生塔架的固有頻率較原型塔架有所增大，且高階增量大于低階增量，仿生塔架的振動(dòng)特性得到提升。
　　3)提出了塔架的線性及非線性屈曲穩(wěn)定性分

4、析計(jì)算方法，從線性與非線性兩個(gè)方面分析了原型塔架與仿生塔架的屈曲穩(wěn)定性。結(jié)果表明：兩種分析模式下仿生塔架的失穩(wěn)臨界載荷均大于原型塔架的臨界載荷，仿生塔架的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)；一階線性屈曲分析的臨界載荷大于非線性屈曲分析的臨界載荷，非線性屈曲分析的結(jié)果更加精確。
　　研究表明，利用結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)理論對(duì)塔架進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)方法科學(xué)，結(jié)果合理，可為塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)過程中生物原型和設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接問題和