文档介绍：兰州理工大学
硕士学位论文
基于有限元法的水平轴风力机塔架动态响应与优化问题研究
姓名:吕钢
申请学位级别:硕士
专业:机械设计及理论
指导教师:赵荣珍
20090501
摘要优值。并验证了优化后的塔架满足静强度、模态分析、疲劳强度以及屈曲强度等方面的研究表明,关于风力机塔架的振动是影响风力发电机组稳定性和整机性能的关键性被称为“蓝天白煤姆缌ψ试矗且恢秩≈痪⒉换岵魏挝廴镜目稍偕能源。随着大型水平轴风力发电机组的单机容量向级水平以及塔架高度向高度发展,作用在塔架上的风载荷的交变性和随机性将更为明显,因此,对于塔架的结构动力学特性分析,是发展风力发电产业的重要基础研究工作之一。塔架是风力发电机主要的承重部件,直接影响机组的稳定性和整机性能。本文在分析了现阶段国内外风力发电技术的发展状况及趋势的基础上,引入致动盘概念和叶素理论,以级风力发电机组为对象,对塔架在极限载荷等变工况下的静强度、疲劳强度和动力学响应问题进行了研究。利用ρХ治鋈砑源笮头缌Ψ⒌缁脑餐残塔架进行了数值仿真研究,为塔架的动态设计提供了理论依据。通过仿真研究获得的主要结论如下:在风压和风切变产生的随机激励扰动的作用下,进行了塔架的静强度分析,检验了塔架在各种载荷情况下的最大应力是否超出材料的许用应力,是否满足静强度要求。极限情况下塔架的受力是静强度分析的重点,是影响风力机使用寿命的关键。基于塔架的静强度分析,找到塔架的疲劳危险点,通过研究危险点处的疲劳情况,来衡量整个塔架的疲劳状况,通过钠@头治瞿?椋橹ち朔缌苁褂寿命情况,合乎风力机塔架的设计使用寿命,满足疲劳强度要求。根据多自由度模态分析理论,提出了“弹性铰ρP停运街岱缌Ψ⒌机塔架的振动模态进行了仿真。运用矩阵迭代法对模型进行数值计算,分析了塔架在自由振动时的力学特性,获取了塔架的固有频率和振型。结果表明,塔架的一阶固有频率高于叶片通过频率,属刚性塔,不会因风轮激励而产生共振;依据振动理论,塔架振动过程的能量主要集中于一、二阶频率处,而一、二阶振型均为摆振,因此摆振是塔架的主要振动方式,是引起塔架疲劳破坏的主要原因。利用砑械挠呕杓颇?椋运驳谋诤裎I杓票淞浚圆牧系男碛应力为约束,以塔架的体积为目标函数进行了优化设计,最终得到圆筒型塔架壁厚的最安全性能,为塔架的优化奠定了理论基础。研究,是风机研究的基础性问题。关键词:水平轴风力发电机;塔架;有限元;疲劳分析;模态分析;优化设计硕卜学位论史本文得到国家自然科学基金项目手
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插图索引图丹麦旧姗风力发电机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图风力机吸取能量的流管能量图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图来自致动盘和流管的能量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图蚦嬷嵯蛴盏家蜃涌诘谋浠摺图叶素扫出的圆环⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图叶素的速度和作用力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图风速随高度的非线性变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图塔架受力分析简图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一图塔架的三角形网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。艿募负文P汀图た鱿滤艿奈灰魄摺图た鱿滤艿挠αη摺图た鱿滤艿挠αν肌拊睾上碌挠αη摺图拊睾上碌挠αν肌;缢傧碌挠αη摺缁缢傧碌挠αν肌甆曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图循环应力曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图一个周期的应力循环⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图疲劳系数图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图塔架力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图塔架的一阶振型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图塔架的二阶振型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图塔架的三阶振型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图塔架的四阶振型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图塔架的四阶振型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图塔架耦合图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯λ驳奈灰魄摺图塔架的共振区域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图唤