基于ansys的垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架的力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化(編輯修改稿)
2025-02-12 13:33 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 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)的基礎(chǔ)上，加載模擬的地震頻率波動(dòng)進(jìn)行譜分析，最后針對塔架模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，優(yōu)化的參數(shù)是塔架底的壁厚和頂壁厚以及塔底和塔頂?shù)耐獍霃剑繕?biāo)函數(shù)是塔架的第一階頻率、質(zhì)量、最大應(yīng)力和最大位移。1 垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架的計(jì)算模型 塔架的結(jié)構(gòu)模型大型風(fēng)力機(jī)組大都采用圓錐形塔柱，本文分析的是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，選擇塔柱的尺寸如下：塔高H=70m，底外徑D1=，頂外徑D2=3m，底端壁厚B1=30mm，頂端壁厚B2=20mm，底座長L=，材料為Q345鋼，材料彈性模量E=，泊松比181。=，密度ρ=7850kg/m^3,許用強(qiáng)度σ=237Mpa，許用抗拉強(qiáng)度σ1=425Mpa。圖1塔架結(jié)構(gòu)簡圖此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G1，塔架的自重G2，輪轂的扭矩M等，作用在塔身上的載荷共5種。圖2 塔架結(jié)構(gòu)受力模型 塔架產(chǎn)生的主要載荷（Ⅰ）風(fēng)輪的水平推力： (1)式中ρ——空氣密度（^3） V——風(fēng)速（定為30m/s）A——風(fēng)輪的掃風(fēng)面積C——推力系數(shù)（一般處切入風(fēng)速時(shí)取1左右，根據(jù)貝茨公式計(jì)算，C=8/9）[1]（Ⅱ）機(jī)艙、葉片和輪轂的重力： G1=mg (2)式中m——機(jī)艙、葉片和輪轂的總重量 g—— 重力加速度（Ⅲ）塔架自身的重量：G2（Ⅳ）輪轂扭矩： M=P/n (3)式中P——發(fā)電機(jī)的輸出功率 n——風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速（r/s）（Ⅴ）作用在塔架上的風(fēng)壓： (4)式中ρ——空氣的密度Z——塔架的高度——高度為Z處的風(fēng)速Z——高度——高度——高度為10m處的風(fēng)速a——地面粗糙度和地面風(fēng)的切變系數(shù)經(jīng)計(jì)算和整理數(shù)據(jù)如下：F=879240(N)G1=382200(N)M=3e6(NM)2 用ANSYS對塔架進(jìn)行靜力分析首先是進(jìn)行塔架的建模，然后固定塔架的底端并在塔架上加載上文計(jì)算的載荷，最后進(jìn)行靜力分析。圖3 塔架的位移/m（）圖4 塔架的應(yīng)力/Pa（）根據(jù)材料的剛度要求塔架的最大變形在高度H的1%一下即： （5），計(jì)算才得最大應(yīng)力為155Mpaσ=237Mpa,強(qiáng)度符合要求，所以塔架結(jié)構(gòu)和靜力學(xué)性能滿足正常工作的要求。3 塔架的模態(tài)分析塔架的模態(tài)分析對塔架的穩(wěn)定性非常重要，模態(tài)分析主要是計(jì)算塔架的固有頻率和陣型，它也是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，同時(shí)也是地震譜響應(yīng)分析的前序和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如果塔架受力，就應(yīng)該進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，分析的結(jié)果才有意義。塔架的前幾階模態(tài)對穩(wěn)定性的影響比較大，因此分析塔架
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