基于有限元法的水平軸風(fēng)力機(jī)塔架動態(tài)響應(yīng)與優(yōu)化問題研究.pdf

1、被稱為“藍(lán)天白煤”的風(fēng)力資源，是一種取之不盡、不會產(chǎn)生任何污染的可再生新能源。隨著大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量向10MW級水平以及塔架高度向120m高度發(fā)展，作用在塔架上的風(fēng)載荷的交變性和隨機(jī)性將更為明顯，因此，對于塔架的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性分析，是發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)研究工作之一。 塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的承重部件，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定性和整機(jī)性能。本文在分析了現(xiàn)階段國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢的基礎(chǔ)上，引入致動盤概念和

2、葉素理論，以MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對象，對塔架在極限載荷等變工況下的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和動力學(xué)響應(yīng)問題進(jìn)行了研究。利用ANSYS力學(xué)分析軟件，對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的圓筒型塔架進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，為塔架的動態(tài)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過仿真研究獲得的主要結(jié)論如下： 1）在風(fēng)壓和風(fēng)切變產(chǎn)生的隨機(jī)激勵(lì)擾動的作用下，進(jìn)行了塔架的靜強(qiáng)度分析，檢驗(yàn)了塔架在各種載荷情況下的最大應(yīng)力是否超出材料的許用應(yīng)力，是否滿足靜強(qiáng)度要求。極限情況下塔架的受力是靜強(qiáng)度分

3、析的重點(diǎn)，是影響風(fēng)力機(jī)使用壽命的關(guān)鍵。 2）基于塔架的靜強(qiáng)度分析，找到塔架的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)，通過研究危險(xiǎn)點(diǎn)處的疲勞情況，來衡量整個(gè)塔架的疲勞狀況，通過ANSYS的疲勞分析模塊，驗(yàn)證了風(fēng)力機(jī)塔架使用壽命情況，合乎風(fēng)力機(jī)塔架的設(shè)計(jì)使用壽命，滿足疲勞強(qiáng)度要求。 3）根據(jù)多自由度模態(tài)分析理論，提出了“彈性鉸”力學(xué)模型，對水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的振動模態(tài)進(jìn)行了仿真。運(yùn)用矩陣迭代法對模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了塔架在自由振動時(shí)的力學(xué)特性，獲取

4、了塔架的固有頻率和振型。結(jié)果表明，塔架的一階固有頻率高于葉片通過頻率，屬剛性塔，不會因風(fēng)輪激勵(lì)而產(chǎn)生共振；依據(jù)振動理論，塔架振動過程的能量主要集中于一、二階頻率處，而一、二階振型均為擺振，因此擺振是塔架的主要振動方式，是引起塔架疲勞破壞的主要原因。 4）利用ANSYS軟件中的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，以塔筒的壁厚為設(shè)計(jì)變量，以材料的許用應(yīng)力為約束，以塔架的體積為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到圓筒型塔架壁厚的最優(yōu)值。并驗(yàn)證了優(yōu)化后的塔架滿足