【正文】 ****大學 本科生畢業(yè)論文 題 目：基于 ANSYS 對三肢式塔架結構進行 力學分析 學生姓名： 學 號： 專 業(yè)： 班 級： 指導教師： I 基于 ANSYS 對三肢式塔架結構進行力學分析 摘要 隨著世界能源的日趨匱乏和科學技術的飛速發(fā)展，加之人們對環(huán)境保護的要求，人們在努力尋找一種能替代石油、天然氣等能源的可再生、環(huán)保、潔凈的綠色能源。風能是當前最有發(fā)展前景的一種新型能源，它是取之不盡用之不竭的能源，還是一種潔凈、無污染、可再生的綠色能源。 風能的利用， 從風車到風力發(fā)電，證明了文明和科學進步。塔架是風力發(fā)電機主要的承重部件，直接影響機組的穩(wěn)定性和整體性能。本文利用 ANSYS 對大型風力發(fā)電機的塔架進行了數(shù)值仿真研究，為塔架的動態(tài)設計提供了理論依據(jù)。 在風壓的作用下，進行了塔架的靜強度分析，得出了塔架在各種載荷情況下的最大應力及最大位移 ,并驗證了滿足靜強度要求。 根據(jù)多自由度模態(tài)分析理論，對水平軸風力發(fā)電機塔架的振動模態(tài)進行了模擬，提取了塔架的前五階的固有頻率和振型。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。 利用 ANSYS軟件中的優(yōu)化設計模塊，以塔架的梁截面的長寬為設計變量，以材料的許用應力以及許用位移為約束，以塔架的體積為目標函數(shù)進行了優(yōu)化設計，最終得到塔架梁截面長寬的最優(yōu)值 ,并驗證了優(yōu)化后的塔架滿足靜強度。 關鍵詞 ： 強度 ；位移； 變形； 有限元分析 ；優(yōu)化設計 II 目 錄 摘要 ............................................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................................... II 第一章 緒 論 ......................................................................................................... 1 ANSYS 軟件簡介與使用 ............................................................................ 1 我國風能發(fā)電的現(xiàn)狀與展望 ...................................................................... 3 設計課題 ..................................................................................................... 6 概 述 ................................................................................................. 6 結構參數(shù) ........................................................................................... 6 第二章 理論知識 ................................................................................................... 8 振動力學相關知識 ...................................................................................... 8 模態(tài)分析理論 .............................................................................................. 8 模態(tài)基礎知識 .................................................................................... 8 多自由度模態(tài)分析理論 .................................................................. 10 塔架振動方程的建立 ...................................................................... 11 模態(tài)分析的意義 .............................................................................. 13 第三章 利用 ANSYS 軟件進行對塔架結構的建模與求解 ............................. 15 有限元模型的建立 ................................................................................... 15 施加約束、受力與求解 ........................................................................... 17 塔架所受的主要約束和荷載 ......................................................... 17 ANSYS 軟件對塔架結構的求解結果分析 ................................ 18 應用 ANSYS 軟件對塔架進行模態(tài)分析 ...................................... 20 第四章 塔架的優(yōu)化設計 ....................................................................................... 24 優(yōu)化設計的相關概念 ............................................................................... 24 優(yōu)化設計的過程與步驟 ........................................................................... 24 塔架優(yōu)化設計詳述 ................................................................................... 25 第五章 結論 ........................................................................................................... 34 參考文獻 ................................................................................................................. 35 致謝 ......................................................................................................................... 38 III 1 第一章 緒 論 ANSYS 軟件簡介與使用 ANSYS（ Analysis System） 是一個功能強大而靈活的大型通用有限元軟件，能夠進行包括結構、熱、流體、聲場、電磁場等多學科的研究，可廣泛應用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、點子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、以及日用家電等一般工業(yè)及科學研究領域，是 世界上擁有用戶最多、最成功的有限元軟件之一 ]1[ 。 ANSYS 提供的的分析類型主要有以下幾種。 結構靜力學分析 用于分析結構由靜載荷引起的變形、應力和應變。靜力學分析適合求解慣性和阻尼對結構影響不顯著的問題。 ANSYS 的靜力學分析不僅可以進行線性分析，還支持非線性分析，例如塑性變形、蠕變、大變形及接觸問題的分析。 結構動力學分析 用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響，并考慮載荷隨時間的變化、阻尼和慣性的影響，這類載荷包括交變力（旋轉機械）、沖 擊力（沖擊或爆炸）、隨機力（地震）及其他瞬態(tài)力（諸如橋上的運動載荷）。 ANSYS 可求解動力學分析問題，如瞬態(tài)動力、模態(tài)、諧波響應及隨機振動響應分析等。 結構非線性分析 結構非線性分析導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化， ANSYS可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性等。 熱力學分析 ANSYS 的熱力學分析可以模擬熱傳導、對流和輻射，可以進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析、線性和非線性分析，可以模擬材料的凝固和溶解過程，可以進行熱應力計算。 電磁場分析 ANSYS 的電磁場分析可以進 行一維、二維隨時間變化的低頻電磁場的分析。電磁場分析可以解決電磁場的相關問題，如電容、電感、渦流、電磁場分布、運 2 動效應等。 流體動力學分析 ANSYS 的流體動力學分析可用來解決二維、三維流體動力場問題，可以進行傳熱或絕熱、層流或湍流、壓縮或不可壓縮等問題的研究。 聲場分析 聲場分析主要用于研究流體介質(zhì)中聲音的傳播問題，以及流體介質(zhì)中固體結構的動態(tài)響應問題。 壓電分析 用于分析二維或三維結構對交流、直流或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應，這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其他 電子設備的結構動態(tài)性能分析，包括靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析和瞬態(tài)響應分析 ]11[ 。 ANSYS的高級功能如下。 多物理場耦合分析 考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。如兩個物理場之間相互影響，單獨求解一個物理場不可能得到正確結果。例如在壓電分析中，需要同時求解電壓分布（電廠分析）和應變（結構分析）。耦合場分析適用于下列類型的相互作用 ]13[ 。 優(yōu)化設計 優(yōu)化設計是一種尋找確定最優(yōu)方案的技術，設計方案的任何方面都是可 以優(yōu)化的，如尺寸（厚度）、形狀（如過渡圓角的大?。?、支撐位置、制造費用、自然頻率和材料特性等。實際上，所有可以參數(shù)化的 ANSYS選項均可做優(yōu)化設計。 拓撲優(yōu)化 拓撲優(yōu)化是指形狀優(yōu)化，也稱為外形優(yōu)化。其目標是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案，這種方案在拓撲優(yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設計。用戶只需要給出結構的參數(shù)（材料特性、模型和載荷等）和要省去的材料百分比，程序即自動進行優(yōu)化 ]14[ 。 單元生死 如果在模型中加入（或刪除）材料，則其中相應的單元就“存在” 或“消亡” 。 3 單元生死選項用于在這種情況下殺死或重新激活單元，該功能主要用于鉆孔（如開礦和挖隧道等）、建筑物施工過程（如橋梁的建筑過程）及順序組裝（如分層的計算機芯片組裝）等。 可擴展功能（ UPF） ANSYS的開放結構允許連接自己的 FORTRAN 程序和子過程 ]16[ ]1[ 。 我國風能發(fā)電的現(xiàn)狀與展望 截至 2022年底，中國國家氣象局公布了一項新風評，該風評建立在 50米高的測量基礎上。這表明我國有 潛力發(fā)展第三類風 2380 GW（平均風功率密度 300 W/m?）和第四類風（平均風功率密度 400 W/m?），海上第三類風的潛力（水深5~25米）可達 200 GW。 2022~2022年中國風能投資 ，占清潔能源總投資的 71%。風能領域的巨額投資，主要是由于政府采取的舉措，如，當?shù)卣囊蟆Πl(fā)展可再生能源的優(yōu)先權、強制性市場份額和“相應的承諾”。 哥本哈根氣候大會后，風電已成為中國大陸實現(xiàn)節(jié)能減排目標的主力軍。全球風能協(xié)會（ GWEC）和中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會公布了 2022年風電產(chǎn) 業(yè)的統(tǒng)計數(shù)字， 2022年，我國風電新增裝機容量 ，增長率連續(xù) 6年超過 100%，居世界第一，成為增長速度最快的國家。累計裝機容量達到2580萬千瓦，總裝機容