【正文】 的區(qū)域。在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組時(shí)，通常將風(fēng)速理論上的對(duì)數(shù)分布 U(z)∝ n(z/z0)近似為 U(z)∝ (z/zref)α 。 (313) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 24 圖 32 風(fēng)速隨高度的非線性變化圖 和 給出地面粗糙度 z0和地面風(fēng)的切變指數(shù)α的關(guān)系為： )( l 200 ??? ZZ? 切變系數(shù)α的變化范圍一般在 到 之間，我國(guó)陸上一般取α =,經(jīng)查證已有氣象資料可知，在風(fēng)能資源豐富的甘肅省 西北部，一般取α =。 (314) 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 25 圖 33 塔筒受力分析簡(jiǎn)圖 下面分別進(jìn)行計(jì)算： （ 1）空氣推動(dòng)力： 軸向推力 Fr 2294 VRFr ??? 其中： ρ 一空氣的密度； R一風(fēng)輪半徑； V一風(fēng)力機(jī)輪轂處的風(fēng)速。 (5)由梯度風(fēng)引起的俯仰力矩 )(3278 222132 VVRM F ?? ?? (6)沿 塔筒 高度方向風(fēng)壓大小分布 221 Vwp ?? (7)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 風(fēng)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的計(jì)算首先確定氣流誘導(dǎo)因數(shù)， 空 氣流誘導(dǎo)因數(shù)可以通過求解（ 321）（ 322）聯(lián)立的 方程組而得到。12 )1()(4)c oss i n(21 ???? ? 可以得到展向長(zhǎng)度為 δ r 的葉素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： rraarUQ ???? 239。232 ? ??????Rd daCRcNUWaaRUQ ??????? 本文所選的風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速 V=13m/s，風(fēng)輪直徑 D=77m，掃略面積 S=4657m2，將 V、 S 和 D 代入 （ 315）～（ 327） 式 求解風(fēng)力機(jī)塔筒的具體受力情況。 m） 由梯度風(fēng)引起的俯仰力矩 （ kN178。 4． 1 穩(wěn)定性的計(jì)算方法 4． 1． 1 失穩(wěn)的類型 結(jié)構(gòu)失穩(wěn) (屈曲 )是指在外力作用下結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)開始喪失，稍有擾動(dòng)變形便迅速增大，最后使結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)相應(yīng)的荷載稱為極限荷載。 屈曲特征方程 為 [30]： 0)]([ ?? ?? rGK 式中： K 為剛度矩陣； G(r)為荷載向量 r 作用下的幾何 (P— ?)剛度； (41) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 30 λ為特征值對(duì)角矩陣； φ 為對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣。也可以將 λ視為安 全系數(shù)：如果屈曲因子大于 1，給定的荷載必須增大以引起屈曲；如果它小于 1，給定荷載必須減小以防止屈曲。 4． 2 塔筒的屈曲分析 4． 2． 1 屈曲分析概述 屈曲分析 [31]計(jì)算是為確保在特定載荷作用下，零部件不產(chǎn)生扭曲或屈曲，分析的目的是求解結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定平衡過渡到不穩(wěn)定平衡的臨界載荷和失穩(wěn)后的屈曲形態(tài)。 計(jì)算 塔筒 的穩(wěn)定性可以采用 線性穩(wěn)定性分析和非線性穩(wěn)定性分析 兩種計(jì)算方法，但是非線性穩(wěn)定性分析方法求解過程復(fù)雜，對(duì)計(jì)算設(shè)備的水平要求較高，而線性的特蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 31 征值分析方法具有求解效率高，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算中可以采用選取較大安全系數(shù)來彌補(bǔ)計(jì)算誤差，工程計(jì)算中可以采取這種方法。在極限載荷下，風(fēng)力機(jī)要停止工作，以減少風(fēng)機(jī)承受的外載荷．一般情況下，停帆下風(fēng)機(jī)承受的外力是工況下的 40％左右，并且極限載荷下 塔筒 的一階屈曲安全系數(shù)大于工況下的一階屈曲安全系數(shù)。 機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，一般包括：產(chǎn)品的市場(chǎng)調(diào)查、產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、零件圖繪制等環(huán)節(jié)。對(duì) 塔筒 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高材料的利用率，減少材料的浪費(fèi)，降低成本的目的。 5． 2 優(yōu)化設(shè)計(jì)要素 (1)設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)變量是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可調(diào)整的設(shè)計(jì)參數(shù)。 (2)約束條件 約束條件是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須滿足的限制條件，根據(jù)約束的性質(zhì)可以把它們區(qū)分為性能約束和側(cè)面約束兩類 [40]。 5． 3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 圖 51 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 假定塔筒各段壁厚范圍 選取代表尺寸組合進(jìn)行計(jì)算 重新定義 壁厚范圍 所有尺寸組合指標(biāo)校核 選出符合條件最優(yōu)組合 結(jié)束 均滿足約束條件 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 35 5． 4 優(yōu)化 設(shè)計(jì)實(shí)例 本文采用塔筒的壁厚為設(shè)計(jì)變量，以材料的許用應(yīng)力為約束，以塔筒的體積為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終可以得到圓筒型塔筒壁厚的最優(yōu)值。 (3)目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)函數(shù)是評(píng)價(jià)一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的衡量指標(biāo)。 塔筒 高度主要取決于風(fēng)電場(chǎng)的地形特點(diǎn)、風(fēng)資源特點(diǎn)、安裝條件與單機(jī)容量等因素；塔風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 34 部分滿足 約束條件 頂直 徑需參考機(jī)艙的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)；塔底直徑主要受過橋限高、限寬的限制 。 對(duì) 塔筒 參數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以在保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，減小 塔筒 重量，進(jìn)而降低成本 [39]。目前在風(fēng)電機(jī)組 塔筒 的設(shè)計(jì)中，多是參照其它同類產(chǎn)品的尺寸或經(jīng)驗(yàn)類比進(jìn)行估算，然后進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的計(jì)算，檢驗(yàn)性能是否達(dá) 到要求，這種方法誤差較大，往往得到的都不是最優(yōu)的尺寸，有改進(jìn)提高的余地。 (49) (410)(411) (412) 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 33 第五章 塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì) 5． 1 優(yōu)化設(shè)計(jì) 概述 優(yōu)化設(shè)計(jì)是 20世紀(jì) 60 年代初發(fā)展起來的一門學(xué)科，它是將最優(yōu)化原理和計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為工程設(shè)計(jì)提 供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，利用這種新的設(shè)計(jì)方法，人就可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。 4． 2． 2 塔筒 屈曲分析計(jì)算 屈曲強(qiáng)度的分析可以用下列公式 進(jìn)行計(jì)算 [32～ 35]： 由軸向力和彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力 σ ad， σ bd為： RtNdad ?? 2? tRMdbd 2?? ? 簡(jiǎn)化系數(shù) ε 為： TRa ??? ab ?? ?? bdadbdbada ?? ????? ??? 根據(jù)彈性力學(xué)理論，臨界壓應(yīng)力為 ： )1(3 2vtRE del ??? 相應(yīng)的局部屈曲細(xì)長(zhǎng)比為： elyda f??? ? 根據(jù)彈性力學(xué)理論 ，懸臂梁的歐拉力為： 23241HtREN del??? 相應(yīng)的全局穩(wěn)定性細(xì)長(zhǎng)比為： (42) (44) (43) (45) (46) (47) (48) (49) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 32 RtNelCRr???2? 塔筒中心半徑： 2Rk? 最后的結(jié)果必須滿足下列不等式： crdddel eld tR eNMNN NRtN ??? ????? 22 其中： Nd設(shè)計(jì)軸向力； Md設(shè)計(jì)彎矩； R塔筒 半徑； t塔壁厚度； H塔筒 高度； Ed設(shè)計(jì)彈性模量； ν 泊松比； fyd設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度。對(duì)于受壓結(jié)構(gòu)，隨著壓力的增大，結(jié)構(gòu)抵抗橫向變形的能力會(huì)下降，當(dāng)載荷達(dá)到某一水平，結(jié)構(gòu)的總體剛度趨于零，喪失穩(wěn)定性，此時(shí)若出現(xiàn)橫向的撓動(dòng)，結(jié)構(gòu)即會(huì)發(fā)生屈曲破壞。 根據(jù)特征值求解方法，屈曲因子 (安全系數(shù) ) λ 大于 1 時(shí)，表明結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)；小于 1 時(shí)，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞。每一組“特征值 — 特征向量 稱為結(jié)構(gòu)的一個(gè)屈曲模式， 利用計(jì)算機(jī) 程序按照找到這些模式的順序從數(shù)字 1 到 n 為各模式命名。 比較以上結(jié)構(gòu)失穩(wěn)兩種類型的計(jì)算方法，第二類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析方法求解過程復(fù)雜，對(duì)計(jì)算設(shè)備的水平要求較高，而第一類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的特征值分析方法具有求解效率高，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，工程計(jì)算中普遍采用這種方法。此類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)相應(yīng)的荷載稱為屈曲荷載。 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 29 第四章 塔筒的屈曲分析 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 是一種典型的高雞腿啞鈴式結(jié)構(gòu)。 表 31 塔筒材料的物理、力學(xué)性能 材料名稱 牌號(hào) 密度（ kg/m3） σs(MPa) σb(MPa) 普通碳素 結(jié)構(gòu)鋼 Q235 7850 235 375~450 表 32 原型風(fēng)機(jī)塔筒參數(shù) 額定 功率 (MW) 塔筒 高度 (m) 塔底基圓直徑 (m) 塔頂基圓直徑 (m) 最大抵抗風(fēng)速 (m/s) 機(jī)艙風(fēng)輪重量 (t) 風(fēng)輪 直徑 (m) 風(fēng)輪掃略面積 (m2) 額定 風(fēng)速 (m/s) 82 60 91 77 4657 13 選取三種典型的風(fēng)荷載工況：額定風(fēng)速工況、切出風(fēng)速工況及抗最大風(fēng)速工況，對(duì)其進(jìn)行受力分析。 ????? ? 因此，整個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩 Q為： })]1()1(8[{21 0 39。 yrCaa ?? 為了確定風(fēng)輪完整的性能特性，比如說風(fēng)能利用系數(shù)在很寬的葉尖速比范圍內(nèi)變化的方式，需要 由（ 323） 反復(fù)迭代計(jì)算。 (315) (316) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 26 ? (3)沿 塔筒 高度方向壓力大?。? 21 GGF ??? 其中： G1一風(fēng)輪重力； G2一機(jī)艙重力。塔筒主要承受空氣的氣動(dòng)推力，葉輪質(zhì)量不平衡而引起的偏轉(zhuǎn)力，垂直力和轉(zhuǎn)矩、風(fēng)速分布不均勻而引起的俯仰力矩、重力引起的彎矩。風(fēng)速沿鉛垂高度的變化，在近地面附近，由于受到地面植被、建筑物等影響，風(fēng)速會(huì)隨著高度的降低而降低。本文采用的極限風(fēng)速值為 50m/s。 S，求得各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓力，其中 S 為錐筒型 塔筒 的投影面積 Pk(60)=， Pk(54)=, Pk(48)=, Pk(42)=， Pk(36)=， Pk(30)=, Pk(24)=， Pk(18)=, Pk(12)=, Pk(6)=， Pk(0)=． 3． 2 塔筒所受主要載荷 3． 2． 1 極限載荷 極限載荷是基于 50年一遇的 3s 極限暴風(fēng)，并且機(jī)組是在非運(yùn)行狀態(tài)條件下計(jì)算出來的。 S， 求得各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓力，其中 S 為錐簡(jiǎn)型 塔筒 的投影面積： (211) 3(312) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 22 Pk (60)=, Pk (54)=， Pk(48)=， Pk(42)=， Pk (36)=， Pk (30)=， Pk(24)=， Pk(18)=， Pk (12)=， Pk (6)=， Pk(0)=． 2)切出風(fēng)速工況下作用于塔筒上的風(fēng)壓力 ① w1的求解 作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓力： w=ρ v2/2=179。 經(jīng)過計(jì)算求得各點(diǎn)風(fēng)振系數(shù)為： β z(0)=1， β z(6)=， β z(12)=， β z(18)=， β z(24)=， β z(30)=， β z(36)=, β z(42)=， β z(48)=， β z(54)=， β z(60)=， β z()=． 1)額定風(fēng)速工況下作用于塔筒上的風(fēng)壓力 在額定風(fēng)速工況下，即作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)速為 v=13m/s。 作用于風(fēng)輪上的風(fēng)壓力為： )(3113)( 23m a x2 kNBACvF btx ??????????? ?? (2)作用于塔筒上的風(fēng)壓力 作用在塔筒上的風(fēng)壓力通過《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB500092021)中采用的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值公式確定，因此垂直于高聳結(jié)構(gòu)表面上單位面積的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為： 0ww zszk ???? 式中： wk為作用在高聳結(jié)構(gòu) z高度處單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值； β z為 z 高度處的風(fēng)振系數(shù)； μ s為風(fēng)荷載體型系 數(shù)； μ z為 z 高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)； w0為基本風(fēng)壓。 對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 為代表的高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是主要的控制荷載 [26]。 =。 3． 1 各工況下風(fēng)荷載計(jì)算 3． 1． 1 確定分析工況 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過程中，當(dāng)風(fēng)速 V 大于切入風(fēng)速 Vq時(shí)，發(fā)電機(jī)有功率輸出，但是小于額定功率 P0；當(dāng)風(fēng)速 V 等于額定風(fēng)速 V0時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出額定功率 P0；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速 V0 時(shí)，從理論上講將維持功率恒定，但實(shí)際中通常有些下降 [24]，如圖 31 所示；當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速 Vc時(shí)，為安全起見，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將停止工作。為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，提高塔筒自身的可靠性，在設(shè)計(jì)塔筒結(jié)構(gòu)時(shí)必須充分考慮塔筒的應(yīng)力和變形，因而塔筒的受力分析是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要的工作。 2． 3 材料的本構(gòu)關(guān)系 本構(gòu)關(guān)系是指結(jié)構(gòu)在受力過程中材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼材的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系研究成果比較成熟，本文為了計(jì)算上的方便與合理，采用由 4 段直線構(gòu)成的鋼材應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系曲線 [22,23]，如圖 22 所示。分析計(jì)算時(shí)， 塔筒 幾何模型簡(jiǎn)化的原則是在保證計(jì)算精度的前提下，對(duì)一些與所研究塔筒強(qiáng)度、自振特性、穩(wěn)定性沒有重要作用或者承受載荷情況并不關(guān)鍵的部位作簡(jiǎn)化，這樣既 減輕了建模的工作量，又不會(huì)影響分析結(jié)果的精確性。 第四章對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒進(jìn)行屈曲分析，采用特征值方法來分析塔筒的穩(wěn)定性問題。 第二章建立風(fēng)電機(jī)組塔筒受力模型，使塔筒的整體結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，為下章塔筒的受力分析奠定基礎(chǔ)。綜上 所述，以現(xiàn)