大型風力機塔架的仿生學設(shè)計及其力學性能分析.pdf

1、塔架作為風力發(fā)電機的關(guān)鍵性承力部件對風力機組的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。風力機的大型化、高聳化發(fā)展趨勢對塔架的力學性能提出了更高的要求。仿生學概念下的植物多體系統(tǒng)可為塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。本文基于對塔架研究現(xiàn)狀的全面認識，以現(xiàn)存問題及未來發(fā)展為導向，引入仿生設(shè)計理論，通過對仿生設(shè)計方法的系統(tǒng)研究及應(yīng)用，提出仿竹型塔架結(jié)構(gòu)，利用有限元方法對該型塔架的靜動態(tài)特性及穩(wěn)定性進行了分析。具體的研究內(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)計理論在塔架結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計中的應(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)綜合評價技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的具體方法和一般設(shè)計流程并應(yīng)用在塔架結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計。選擇竹子為生物原型，從結(jié)構(gòu)、功能、載荷及約束三個方面對塔架與竹子的相似度進行計算，驗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，提出了具有5個加強節(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、的有限元模型并對其靜動態(tài)響應(yīng)特性進行分析，驗證了仿生塔架靜動態(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、析計算方法，從線性與非線性兩個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；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)計理論對塔架進行仿生設(shè)計方法科學，結(jié)果合理，可為塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考依據(jù)。同時，對于結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計過程中生物原型和設(shè)計目標之間的設(shè)計標準對接問題和