【正文】 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。 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]。 (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)。 (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]。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。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)。 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)。 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。 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。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。 (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。 (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 =。例如，英國標(biāo)準(zhǔn)中描述 3s 的陣風(fēng)可以穿越 20m 的區(qū)域。即： 139。 3． 1． 2 風(fēng)荷載計(jì)算 (1)作用在風(fēng)輪上的風(fēng)壓力 1)額定風(fēng)速工況下作用于風(fēng)輪上的風(fēng)荷載 根據(jù)有關(guān)資料介紹 [27]，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，作用在風(fēng)輪掃風(fēng)面積上的軸向推力用下列公式計(jì)算： SVCF pu 2? 式中： Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，一般取 ； V 為風(fēng)速； S 為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積。 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 18 圖 31 力發(fā)電機(jī)的功率特性曲線 任一地貌任一高度處的風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)地貌 10m高處基本風(fēng)壓存在如下關(guān)系 [26]： 0??? zz ? 式中：ω z為任一地貌任一高度處的風(fēng)壓； μ z為風(fēng)壓高度變化系數(shù)； ω 0為標(biāo)準(zhǔn)地貌 10m 高處的基本風(fēng)壓。 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 16 圖 22 鋼材應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線 彈性階段 (oa)： σ =Eyε ， 0ε ε 1 屈服段 (ab)： σ =fy， ε 1ε ε 2， ε 2=10ε 1 強(qiáng)化段 (bc)： σ = fy +Ey/[150(ε 1ε 2)]， ε 2ε ε 3 二次塑流段 (cd)： σ =fu， ε 3ε ， ε 3=100ε ， Ey=206 000MPa 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 17 第三章 塔筒的受力分析 塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要支撐結(jié)構(gòu)。 第 六 章對(duì)全文 的分析與 研究進(jìn)行了總結(jié)與歸納，并對(duì)需深入研究的問題提出了作者的見解。具體內(nèi)容如下： 第 一 章對(duì)本研究課題的選題 背景 及 其科學(xué)意義進(jìn)行了闡述。 動(dòng)態(tài)特性是決定結(jié)構(gòu)是否技術(shù)上合理、安全性可靠和經(jīng)濟(jì)性可行的關(guān)鍵，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析也是整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵。直到 2 月 1 日 3：18 分，之前 43風(fēng)機(jī)無任何報(bào)警信息，發(fā)生了倒塌事件 （ 如圖 1 14）。 一方面塔筒要滿足以上高度 、剛度、強(qiáng)度等要求，另一方面要減輕重量，降低成本。但對(duì)比國內(nèi)外研究與發(fā)展模式間存在著的一些差異、特別是我國在生產(chǎn)制造技術(shù)方面的落后可以看出，關(guān)于風(fēng)力機(jī) 塔筒 振動(dòng)及穩(wěn)定性的研究仍然是國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域深入進(jìn)行的研究內(nèi)容之一。因此有必要對(duì)風(fēng)電 塔筒 結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的解剖分析，得到該種特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)和理論分析方法。 1997 年，山東工業(yè)大學(xué)陸萍、黃珊秋、張俊、宋憲耕 [18]討論了水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)筒形塔筒結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)分析建模和有限單元類型的選取及計(jì)算方法，并以 200kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的六棱錐筒形塔筒為例，計(jì)算并給出了靜動(dòng)態(tài)特性。 上述這些研究工作，使得國際上風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)制造，正在朝著更大容量、變槳距、變轉(zhuǎn)速、無齒輪和無刷化的方向快速前進(jìn)著。研究發(fā)現(xiàn)，軸壓圓柱殼的后屈曲性質(zhì)是不穩(wěn)定的，且很小的幾何 缺陷就會(huì)極大地降低其承載力。這些研究反映出，柔性地適應(yīng)風(fēng)特性變動(dòng)的設(shè)計(jì)思想，借助實(shí)驗(yàn)研究完善風(fēng)力機(jī) 塔筒 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論建模的方法，已融會(huì)貫穿在了風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中。英國的 Grant 等對(duì)一個(gè)投入運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了尾流場內(nèi)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析，介紹了風(fēng)輪尾流場效應(yīng)對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)組穩(wěn)定性分析，但沒有具體分析風(fēng)輪尾流場及 塔筒 尾渦對(duì) 塔筒 穩(wěn)定性研究。目前常見的塔 筒 有錐筒式、桁架式、混凝土式等幾種形式，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常采用錐筒式塔 筒 ，這種形式的塔 筒 一般有若干段 20～ 30m 的錐筒用法蘭聯(lián)接而成，塔 筒 由底向上直徑逐漸減小，蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 整體呈圓臺(tái)狀，因此也有人稱此類 塔筒 為圓臺(tái)式塔 筒 ，這類塔 筒 的優(yōu)點(diǎn)是安全性能好，而且進(jìn) 行維修時(shí)比較方便安全，在國際風(fēng)電市場上，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用的是錐筒式塔 筒 ，本論文正是以這種類型的塔 筒 為研究對(duì)象的。 1993年我國風(fēng)電總裝機(jī)容量僅 萬 kW， 1998 年增至 萬 kW， 2021 年達(dá)到 萬kW。 截止到 2021 年底，全世界風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá) 億 kW，其中發(fā)展最快的是美國 2 517 萬 kW，德國 2 390 萬 kW，西班牙 1 675 萬 kW，中國 1 324 萬 kW。 1941 年，美國在巴蒙特州研制并建立了一臺(tái)當(dāng)時(shí)世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的直徑為 53 m，塔高 34 m，輸出功率為 。 在眾多的可再生能源中，風(fēng)能 [4]以其巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿κ艿饺藗兊那嗖A。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能 的機(jī)械設(shè)備。 風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī) 塔筒 的大型化發(fā)展，作用在 塔筒 上的風(fēng)載荷的交變性和隨機(jī)性將更為明顯，因此，有必 要對(duì)風(fēng)電 塔筒 結(jié)構(gòu)及受力進(jìn)行詳盡的分析，是發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)研究工作之一。 關(guān)鍵詞 ：塔筒 ， 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) ， 受力分析 ， 屈曲因子 ， 優(yōu)化設(shè)計(jì) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 II ABSTRACT The tower is a main support equipment of wind turbine． It joins the generator and the ground and provides altitude for the impeller． The design of the structure system has been introduced primarily from the overseas． There is no unification design regulations standard for wind turbine tower at home yet． Along with the maximization of wind turbine tower， the role of the tower’s wind load variability and randomness of the cross will bee more evident，therefore， it is necessary to carry on the exhaustive analysis for the windward electricity tower structure and force ,the analysis is one of the important basic research． The taper cylinder tower of some approved wind generator set of one wind electric plant was taken as the object of study, For the taper cylinder tower, simplify the structure of the tower drum coordinates calculation by tower drum, the main load of simple tower drum of the stress and the buckling analysis and the stress and the flexure analysis to the tower；Finally ,the tower wall thickness and the tower mass as the constraints， the design variable and the objective function． The research indicated： the influence of the cutout wind speed work condition should be the key consideration when carries on the stress and the flexure analysis to the tower； the influence to the tower basis stress， the displacement in the tower top as well as the natural frequency is very small， but the influence to the buckling destroys is big， thus the influence of the door opening cannot be neglected when carries on the tower flexure analysis； After the optimization， it is considerable to save the steel products quantity． There is the necessity for this type tower to carry on further research and the optimization design． Key Words： Tower， Horizontal axis wind turbines， Stress analysis， Buckling factor，Optimization design 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 1． 1 選題背景 能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，能源問題作為關(guān)系到世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生存環(huán)境的重大問題正日益受到世界各國的廣泛關(guān)注。 21 世紀(jì)是高效、清潔和安全利用新能源的時(shí)代，世 界各國都在做這方面的努力，都在把能源開發(fā)利用作為關(guān)鍵科技領(lǐng)域給予關(guān)注。 塔筒是支撐機(jī)艙及風(fēng)力機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)， 它將風(fēng)力機(jī)與地面連接 ， 為風(fēng)輪提供必要的工作高度，通過基礎(chǔ)將風(fēng)力機(jī)各部件的荷載傳至地面。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織的《風(fēng)力 12：關(guān)于 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量 12％的藍(lán)圖》正是基于此而出臺(tái)的。經(jīng)過 10 余年的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)同趨成熟，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和可靠性。 60 年代開始小批量生產(chǎn)， 70 年代 末 ，在世界能源危機(jī)的影響下，我國風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，主要是小型風(fēng)能發(fā)電機(jī)，其風(fēng)電設(shè)備都是獨(dú)立運(yùn)行的。截止到 2021 年底，我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到 1 萬 kW，超過全球總裝機(jī)的 10％，名列全球第四 [10]。世界最先進(jìn)水平的丹麥其主流機(jī)型的功率已達(dá) ～ 水平，德國 Repower 公司研制出了功率達(dá) 的樣機(jī)，懸浮磁動(dòng)風(fēng)力機(jī)發(fā)電裝置初期發(fā)電功率可達(dá) 10MW，可全風(fēng)速、全風(fēng)向發(fā)電，隨著