《基于ansys的垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)塔架的力學(xué)分析及優(yōu)化的垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)塔架進(jìn)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(fēng)力機(jī)的功率確定塔架的大體尺寸，然后對塔架進(jìn)行靜力分析，并對塔架承受最大載荷時(shí)的最大應(yīng)變進(jìn)行強(qiáng)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(jī)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(fēng)力機(jī)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(xiàn)標(biāo)志碼文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)能資源主要集中在50m以上的高空，大容量的風(fēng)力機(jī)機(jī)組便于大規(guī)模風(fēng)能的開發(fā)利用，因此大功率的風(fēng)機(jī)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(fēng)力機(jī)

8、的安全可靠性能具有重要的意義。目前，對風(fēng)力機(jī)的研究大都集中在葉片、發(fā)動機(jī)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(fēng)力塔架的分析在國內(nèi)尚未見報(bào)道。本研究在水平軸風(fēng)力機(jī)塔架分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)垂直軸風(fēng)力機(jī)的實(shí)際受力對塔架進(jìn)行加力并分析，為大型垂直軸的風(fēng)力機(jī)塔架的制造提供了理論依據(jù)。首先對垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架的模型尺寸進(jìn)行力分析，在受力的情況下對模型進(jìn)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(jìn)行譜分析，最后針對塔架模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架的計(jì)算模型垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架的計(jì)算模型垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)壓的計(jì)算方式不一樣。大型風(fēng)力機(jī)組大都采用圓錐形塔柱，本研究分析的是1MW的垂直軸風(fēng)力機(jī)的塔柱，根據(jù)《高聳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度σ=237MPa，許用抗拉強(qiáng)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(fēng)的水平推力F，機(jī)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(fēng)輪的水平推力。(1)AVCF221??式中：ρ—空氣密度，1.293kgm3；V—風(fēng)速定為30ms；A—風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，取1700m2；C—推力系數(shù)，一般切入風(fēng)速處時(shí)取1左右，切出風(fēng)速取0.5左右，根據(jù)貝茨公式計(jì)算，C=89[2]。2）機(jī)艙、葉片和輪轂的力：G=mg(2)式中：m—機(jī)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(jī)的輸出功率W；n—風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，rs。5）作用在塔架上的風(fēng)壓(4)20202)(2121VHZVPaZZ????式中：為風(fēng)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(fēng)速，ms；H=10m；V—高度為10m處的風(fēng)速；a是地面粗糙度和地面風(fēng)的切變系數(shù)(在風(fēng)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