《基于ansys的垂直軸風力機塔架的力學(xué)性能分析及優(yōu)化》

1、基于基于ANSYSANSYS的垂直軸風力機塔架的力學(xué)分析及優(yōu)化的垂直軸風力機塔架的力學(xué)分析及優(yōu)化王印軍王印軍摘要:基于ANSYS對大型垂直軸風力機塔架進行靜態(tài)學(xué)分析、動力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先根據(jù)風力機的功率確定塔架的大體尺寸，然后對塔架進行靜力分析，并對塔架承受最大載荷時的最大應(yīng)變進行強度校核；動力學(xué)分析包括有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析、地震譜響應(yīng)分析。ANSYS優(yōu)化通過改變塔架的厚度使其固有頻率增大，從而避免因塔架在發(fā)電機的激勵下共振產(chǎn)生的破

2、壞。通過對塔架的力學(xué)分析確保了塔架性能的可靠性，為塔架的安全性提供了理論依據(jù)，并且在滿足力學(xué)性能的前提下使塔架的質(zhì)量最輕，降低了塔架的制造成本。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:垂直軸風力機塔架；靜力學(xué)分析；動力學(xué)分析；地震譜響應(yīng)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類號中圖分類號:TK83文獻標志碼文獻標志碼:A文章編號：文章編號：MechanicalPerfmanceAnalysisStructureOptimizationofTowerofVerticalAxisWi

3、ndTurbineBasedonANSYSWANGYinjunAbstract:StaticsanalysisdynamicsanalysisstructuraloptimizationoflargetowerofverticalaxiswindturbinewerepresentedbasedonANSYS.Firstofallaccdingtothepowerofthewindgeneratsthesizeofthetowerwas

4、determined.thenstaticsanalysisfthetowerwascarriedout.thestrengthcheckfthemaximumstrainofthetowerwasdiscussedunderthemaximumload.Dynamicsanalysisincludingprestressedmodalanalysisseismicresponsespectrumanalysiswasperfmed.U

5、singANSYSoptimizationbychangingthethicknessofthetoweroftheinherentfrequencyincreasessoastoavoidthegeneratftowerundertheexcitationofresonanceproduceddamage.Throughtothemechanicalanalysisofthetowertoensurethereliabilityoft

6、hetoweroftheperfmancefthesafetyofthetowertoprovidethetheeticalbasisfthemechanicalpropertiesmakethequalityofthetowerofthelightestinmeetthepremiseofmechanicalpropertiesreducethetowerofmanufacturingcost.Keywds:towerofvertic

7、alaxiswindturbinestaticsanalysisdynamicsanalysisseismseismicresponsespectrumanalysisstructuraloptimization風能資源主要集中在50m以上的高空，大容量的風力機機組便于大規(guī)模風能的開發(fā)利用，因此大功率的風機具有很好的發(fā)展前景。結(jié)構(gòu)振動導(dǎo)致的材料疲勞是塔架損壞的主要原因之一，振動還會產(chǎn)生噪音，影響周圍環(huán)境，所以塔架的力學(xué)分析對于研究風力機

8、的安全可靠性能具有重要的意義。目前，對風力機的研究大都集中在葉片、發(fā)動機性能等的研究上，對于塔架的研究很少，尤其是針對大型塔架的研究更為少見[1]，垂直軸風力塔架的分析在國內(nèi)尚未見報道。本研究在水平軸風力機塔架分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)垂直軸風力機的實際受力對塔架進行加力并分析，為大型垂直軸的風力機塔架的制造提供了理論依據(jù)。首先對垂直軸風力機塔架的模型尺寸進行力分析，在受力的情況下對模型進行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，得到塔架的前6階模態(tài)及振型。在模態(tài)

9、的基礎(chǔ)上，加載模擬的地震頻率波動進行譜分析，最后針對塔架模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1垂直軸風力機塔架的計算模型垂直軸風力機塔架的計算模型垂直軸風力機塔架的受力與水平軸有很大不同，扭矩的方同，垂直軸的塔架的扭矩是垂直地面的，水平軸的是平行于地面，還有塔架上風壓的計算方式不一樣。大型風力機組大都采用圓錐形塔柱，本研究分析的是1MW的垂直軸風力機的塔柱，根據(jù)《高聳機構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB501352006，選擇塔柱的尺寸如圖1所示：塔高H=70m，底外徑D

10、=4.5m，頂外徑D1=3m，底端壁厚B=30mm，頂端壁厚21B=20mm，底座長L=0.5m，材料為Q345鋼，2材料彈性模量E=2.061011Pa，泊松比=0.3，密度ρ=7.850103kgm3許用強度σ=237MPa，許用抗拉強度σ=425MPa。此1塔架為變截面的錐形圓錐體，由于底端是固定的，可以看成懸臂梁結(jié)構(gòu)，塔架的主要載荷有風的水平推力F，機艙、葉片和輪轂的重力G，塔架的自重G，輪轂的扭矩M等，作用12在塔上的載荷共5

11、種，受力簡圖如圖2所示。1.1塔架產(chǎn)生的主要載荷1）風輪的水平推力。(1)AVCF221??式中：ρ—空氣密度，1.293kgm3；V—風速定為30ms；A—風輪的掃風面積，取1700m2；C—推力系數(shù)，一般切入風速處時取1左右，切出風速取0.5左右，根據(jù)貝茨公式計算，C=89[2]。2）機艙、葉片和輪轂的力：G=mg(2)式中：m—機艙、葉片和輪轂的總質(zhì)量，質(zhì)量取3.9104kg；g為重力加速度，9.8ms23）塔架自身的重量G。4）

12、輪轂扭矩M=Pn(3)式中：P—發(fā)電機的輸出功率W；n—風輪的轉(zhuǎn)速，rs。5）作用在塔架上的風壓(4)20202)(2121VHZVPaZZ????式中：為風壓分布載荷，Nm；ρ—空氣的密度Kgm；Z—塔架的高度，m；Vz—高度為Z處的風速，ms；H=10m；V—高度為10m處的風速；a是地面粗糙度和地面風的切變系數(shù)(在風能資源豐富的西北部，一般取0.156)[3]。由公式（1）可得：F=879240N；由公式（2）可得：G=3.822