【正文】 α 的變化范圍一般在 到 之間，我國陸上一般取 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)風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 24 圖 33 塔筒受力分析簡圖下面分別進(jìn)行計(jì)算：（1）空氣推動(dòng)力：軸向推力 Fr 294VRFr???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 )(327821VRF????(6)沿塔筒高度方向風(fēng)壓大小分布 2wp(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)cossin( ?????可以得到展向長度為 δr 的葉素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： rarQ???239。23? ?????R daRUa??????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（kN4．1 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；(41)風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 30 G(r)為荷載向量 r 作用下的幾何(P —?)剛度；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)。蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文31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圖 51 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程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。對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的壁厚進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后塔筒的質(zhì)量減少了 ％，經(jīng)校核滿足強(qiáng)度要求。表 52 塔筒優(yōu)化后的校核載荷情況 額定風(fēng)速 切出風(fēng)速 極端風(fēng)速最大等效應(yīng)力（Pa） 108 108 109最小等效應(yīng)力（Pa） 107 107 107風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 36 最大位移（m） 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文37第六章 結(jié)論與展望6．1 結(jié)論本文以某風(fēng)電場 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組錐筒型塔筒為研究對(duì)象，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的力學(xué)模型建立、受力分析、屈曲分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)基本問題進(jìn)行了研究。（2）通過在額定風(fēng)速、切出風(fēng)速與抗最大風(fēng)速工況下進(jìn)行塔筒的受力與屈曲分析，可知在切出風(fēng)速工況下對(duì)塔筒的受力與穩(wěn)定性影響最大。6．2 展望風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，必將在世界各國的能源領(lǐng)域占有越來越重要的地位，而風(fēng)力機(jī)是大規(guī)模開發(fā)利用風(fēng)力資源所必須的設(shè)備。（1）對(duì)影響塔筒性能相關(guān)的各種基本問題進(jìn)行研究。蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文39參考文獻(xiàn)［1］劉萬琨，張志英，李銀鳳等著．風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［M］ ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022．1［2］宮靖遠(yuǎn)．風(fēng)電場工程技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2022．［3］辛士紅，汪建文．形形色色的風(fēng)力機(jī)[J]．能源技術(shù)，2022，25(4)：161164．［4］袁玉琪，楊校生．風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電[J]．太陽能，2022，(2)：79．［5］鐘方國，趙鴻漢．風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用[J]．纖維復(fù)合材料，2022，(3)：48．54．［6］劉曉林．漫談風(fēng)力發(fā)電[J]．電氣應(yīng)用（2）在考慮風(fēng)荷載時(shí)，本文將風(fēng)荷載等效成靜力施加在塔筒上，與風(fēng)場模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果必定存在一定的誤差，需要在下一步的工作中繼續(xù)進(jìn)行深入的分析和研究。由于我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)起步較晚，技術(shù)水平落后于國際先進(jìn)水平，我們不僅需要積極引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，更應(yīng)該建立自己的研究平臺(tái)，掌握風(fēng)電塔筒設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。（4）塔筒的最大應(yīng)力一般都出現(xiàn)在塔筒底部，故要對(duì)塔筒底部尤其是門洞附近要采取加固措施。經(jīng)過研究分析，可以初步得到以下結(jié)論：（1）對(duì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了載荷計(jì)算，得到了 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速、切出風(fēng)速、極端風(fēng)速下的載荷。表 51 塔筒優(yōu)化前后的對(duì)比塔底壁厚 塔頂壁厚 體積 質(zhì)量優(yōu)化前 20mm 12mm 優(yōu)化后 18mm 8mm 以優(yōu)化后的塔筒尺寸計(jì)算不同載荷工況下的應(yīng)力值，計(jì)算結(jié)果表明塔筒優(yōu)化后的尺寸滿足塔筒的強(qiáng)度要求。優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為塔筒塔頂和塔底的壁厚，塔筒的狀態(tài)變量是以材料的屈服極限為基準(zhǔn)的許用應(yīng)力，安全系數(shù)為 ，材料的許用應(yīng)力為 276MPa；優(yōu)化的目標(biāo)是在 60m/s 的極端風(fēng)速載荷作用下，塔筒的體積最小，質(zhì)量最輕，并且塔筒的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。(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)。風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 34 部分滿足約束條件塔筒高度主要取決于風(fēng)電場的地形特點(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)(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： RtNda??2?tMdb2簡化系數(shù) ε 為： ???ab?.????根據(jù)彈性力學(xué)理論，臨界壓應(yīng)力為： )1(32vtREdel??相應(yīng)的局部屈曲細(xì)長比為： elydaf????根據(jù)彈性力學(xué)理論，懸臂梁的歐拉力為：(42)(44)(43)(45)(46)(47)(48)風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 32 2341HtRENdel??相應(yīng)的全局穩(wěn)定性細(xì)長比為： RtelCr???2塔筒中心半徑： k?最后的結(jié)果必須滿足下列不等式： crddeld tReNMNRt ????????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[{210 39。 yr?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)蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文25?(3)沿塔筒高度方向壓力大?。?21GF???其中：G 1一風(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。 zsk???①w 1的求解作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓力：w=ρv 12/2=132/2=(N/m2)， 由w=μ zw1[26]得：w 1=w/μ z=②w k’的求解將各系數(shù)代入(312)得：wk’(0)=，w k’(6)；，w k’(12)=，w k’(18)=,wk’(24)=，w k’(30)=，w k’(36)=，w k’(42)=，wk’(48)=，w k’(54)=, wk’(60)a ，w k’()=．③P k的求解(211)(311)(312)蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文21根據(jù)風(fēng)壓力 Pk= wk’S，求得各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓力，其中 S 為錐簡型塔筒的投影面積：Pk (60)=, Pk (54)=，P k(48)=，P k(42)=，Pk (36)=，P k (30)=，P k(24)=，P k(18)=，Pk (12)=，P k (6)=，P k(0)=．2)切出風(fēng)速工況下作用于塔筒上的風(fēng)壓力①w 1的求解作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓力：w=ρv 2/2=252/2=(N/m2)，由 w=μ zw1得： w 1=w/μ z=②w k’的求解將各系數(shù)代入(312)得：wk’(0)=，w k’(6)=，w k’(12)=，w k’(18)=，wk’(24)=，w k’(30)=，w k’(36)=，w k’(42)=，wk’(48)=，w k’(54)=，w k’(60)=，w k’(62．4)=．③P k的求解根據(jù)風(fēng)壓力 Pk= wk’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)=，P k(54)=，P k(48)=，P k(42)=,Pk(36)=，P k(30)=，P k(24)=，P k(18)=，Pk(12)=，P k(6)=，P k (0)=.3)抗最大風(fēng)速工況下作用于塔筒上的風(fēng)壓力①w 1的求解作用于風(fēng)輪中心處的風(fēng)壓力：w=ρv 2/2=502/2=1 350(N/m2)，由 w=μ zw1得： w 1=w/μ z=／m 2②w k’的求解將各系數(shù)代入(312)得風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 22 wk’(0)=，w k’(6)=．w k’(12)=, wk’(18)=,wk’(24)=, wk’(30)=, wk’(36)=，w k’(42)=，wk’(48)=，w k’(54)=, wk’(60)=, wk’()=③P k的求解根據(jù)風(fēng)壓力 Pk= wk’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)=，P k(54)=, Pk(48)=, Pk(42)=，Pk(36)=，P k(30)=, Pk(24)=，P k(18)=