【正文】 (s i n41 222 yrxr CCaa ???? ??? ??? c ossin41 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。 rraarUrrCCNcW d ??????? 239。12 )1()(4)c oss i n(21 ???? ? 可以得到展向長度為 δ r 的葉素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為： rraarUQ ???? 239。 )1()(4 ??? ? 如果在確定氣流誘 導(dǎo)因子排除阻力或部分阻力，那么當(dāng)用葉素的作用力計(jì)算阻力產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩時，就必須考慮阻力或部分阻力的影響，結(jié)合 （ 325） ： rrCCNcWrDL d ???????? )c oss i n(21)c oss i n( 12 ??? (317) (318) (319) (320) (321) (322) (323) (324) (325) 蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 27 可以得出（ 326） ： rrCCNcWrraarUQ d ???????? )c oss i n(21)1()(4 12239。 ????? ? 因此，整個轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩 Q為： })]1()1(8[{21 0 39。39。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。 3． 4 塔筒受力 分析實(shí)例 在進(jìn)行塔 筒受力 分析計(jì)算時，為更確切地研究塔 筒 的 受力 問 題，本文 依據(jù) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 塔 筒的 數(shù)據(jù) 進(jìn)行受力分析 ，材料的物理、力學(xué)性能如表 31 所示，其原型數(shù)據(jù)參數(shù)如表 32 所示。 表 31 塔筒材料的物理、力學(xué)性能 材料名稱 牌號 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，對其進(jìn)行受力分析。 計(jì)算結(jié)果如表 3 34 所示： (327) (326) 風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 28 表 33作用于塔筒上的風(fēng)壓力 (kN) 塔筒高度（ m） 額定風(fēng)速工況 切出風(fēng)速工況 抗最大風(fēng)速工況 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 表 34 其他載荷計(jì)算結(jié)果 不同工況下所受載荷 額定風(fēng)速工況 切出風(fēng)速工況 抗最大風(fēng)速工況 風(fēng)輪上的風(fēng)壓力 （ kN） 191 707 311 空氣的推動力 （ kN） 葉片 上的脈動力 （ kN） 沿塔筒高度方向壓力（ kN） 910 910 910 由風(fēng)輪和機(jī)艙引起的俯仰力矩 （ kN178。 m） 由梯度風(fēng)引起的俯仰力矩 （ kN178。 m） 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 的受力分析，可知在切出風(fēng)速工況下對 塔筒 的受力與穩(wěn)定性影響最大 。 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)。當(dāng) 塔筒 在外荷載的作用下發(fā)生變形時，作用在塔頂?shù)妮S向壓力會產(chǎn)生對 塔筒 各截面的彎矩，當(dāng)外載荷達(dá)到一定的值時，彎矩的增大會導(dǎo)致 塔筒 某一截面超出其屈服極限，發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。 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，稍有擾動變形便迅速增大，最后使結(jié)構(gòu)破壞。穩(wěn)定問題一般分為兩類，第一類是理想化的情況，即達(dá)到某種荷載時，除結(jié)構(gòu)原來的平衡狀態(tài)存在外，還可能出現(xiàn)第二個平衡狀態(tài)，所以又稱平衡分岔失穩(wěn)或分支點(diǎn)失穩(wěn)，在數(shù)學(xué)處理上是求解特征值問題，故又稱特征值屈曲。此類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時相應(yīng)的荷載稱為屈曲荷載。第二類是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時， 變形迅速增大，而不會出現(xiàn)新的變形形式，即平衡狀態(tài)不發(fā)生質(zhì)變，也稱極值點(diǎn)失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時相應(yīng)的荷載稱為極限荷載。此外，還有一種跳躍失穩(wěn) [30]，當(dāng)荷載達(dá)到某值時，結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)發(fā)生一個明顯的跳躍，由于在跳躍時結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，所以可歸入第二類失穩(wěn)。 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。 4． 1． 2 特征值求解方法 通過對特征方程的求解， 可以確定結(jié)構(gòu)屈曲時的極限荷 載和破壞形態(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為特征值對角矩陣； φ 為對應(yīng)的特征向量矩陣。 求解特征方程，得到特征值和對應(yīng)的特征向量，用以確定屈曲荷載及其對應(yīng)的變形形態(tài)。每一組“特征值 — 特征向量 稱為結(jié)構(gòu)的一個屈曲模式， 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。 特征值 λ稱為屈曲因子，它必須乘以 r 中的荷載才能引起屈曲，即屈曲荷載為屈曲因子與給定荷載的乘積。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。屈曲因子也可以為負(fù)值，這說明當(dāng)荷載反向時會發(fā)生屈曲。 根據(jù)特征值求解方法，屈曲因子 (安全系數(shù) ) λ 大于 1 時，表明結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)；小于 1 時，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞。 λ越大，則說明結(jié)構(gòu)的安全性越好。 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)。在結(jié)構(gòu)的失效形態(tài) 中，屈曲是其中的一種。對于受壓結(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，此時若出現(xiàn)橫向的撓動，結(jié)構(gòu)即會發(fā)生屈曲破壞。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 塔筒 是一種薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，機(jī)組運(yùn)行時， 塔筒 在外載荷的作用下發(fā)生變形和位移，作用在塔頂?shù)妮S向壓力會產(chǎn)生對 塔筒 各截面的彎矩，當(dāng)外載荷達(dá)到一定的值時，彎矩的增大會導(dǎo)致 塔筒 某一截面超出其屈服極限，局部失穩(wěn)，使得 塔筒 發(fā)生破壞，對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于其塔頂上方葉輪和機(jī)艙的質(zhì)心位于塔壁以外，由此產(chǎn)生的彎矩對 塔筒 造成的影響更加突 出，對 塔筒 進(jìn)行屈曲分析，可以計(jì)算出在各種載荷情況下 塔筒 的結(jié)構(gòu)是否滿足穩(wěn)定性的要求，并為設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供必要的依據(jù)。 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。本文對 塔筒 進(jìn)行屈曲分析計(jì)算時，就是采用特征值方法來分析 塔筒 穩(wěn)定性問題的。 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。 4． 3 塔筒 在極限載荷情況下的穩(wěn)定性分析 工況下 塔筒 的屈 曲變形出現(xiàn)在中間部位，主要是 塔筒 承受的彎矩大，而在極限情況下， 塔筒 的屈曲變形多出現(xiàn)在底部，是因?yàn)?塔筒 承受風(fēng)輪、機(jī)艙以及自身的重量。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)。因此，工況下的屈曲安全系數(shù)是判斷 塔筒 屈曲強(qiáng)度的依據(jù) 。 (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。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的一個重要領(lǐng)域，它已廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)部門 [36～ 38]。 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)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只是被動的分析，沒有主動的對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長，沒有體現(xiàn)真正的設(shè)計(jì)含義。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。 塔筒 是風(fēng)力機(jī)的主要部件，是風(fēng)力機(jī)的主要受力部件之一。對 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。 塔筒 參數(shù)如底部直徑、頂部直徑、各段壁厚等直接決定了 塔筒 的造價以及其安全性能。 對 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]。 本章以 塔筒 壁厚為設(shè)計(jì)變量， 塔筒 質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，塔底應(yīng)力、塔頂變形、一階固有頻率與一階屈曲因子的控制指標(biāo)為約束條件對該 塔筒 的優(yōu)化設(shè)計(jì) 進(jìn)行了初步探討。 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)。根據(jù)本文所研究錐 筒 型 塔筒 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)有： 塔筒 高度、塔頂直徑、塔底直徑與 塔筒 壁厚等。 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 。在此取塔筒 的分段壁厚為設(shè)計(jì)變量。 (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]。在本文中 塔筒 壁厚 必須取為整數(shù)。 (3)目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)函數(shù)是評價一個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的衡量指標(biāo)。本文對 塔筒 進(jìn)行優(yōu)化的目的在于降低成本，減輕 塔筒 重量，因此以 塔筒 質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。 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。 對 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 塔筒 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，高 62m，底部直徑 ，頂部直徑 ，材料為 Q345，重，底部的壁厚