【正文】 定的值時(shí)，彎矩的增大會(huì)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(dòng)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(shí)，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(gè)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(shí)相應(yīng)的荷載稱為屈曲荷載。第二類是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，變形迅速增大，而不會(huì)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(shí)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(shí)，結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)發(fā)生一個(gè)明顯的跳躍，由于在跳躍時(shí)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(shí)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；(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(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。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(shí)會(huì)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(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。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(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。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(shí)，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(huì)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(shí)，彎矩的增大會(huì)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)。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。本文對塔筒進(jìn)行屈曲分析計(jì)算時(shí)，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： 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。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)樗渤惺茱L(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)(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(gè)重要領(lǐng)域，它已廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(dòng)的分析，沒有主動(dòng)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(jià)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。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。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(jià)一個(gè)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 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 ，底部的壁厚為 ，頂部的壁厚為 。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。對優(yōu)化后結(jié)果取整后得到，塔筒的塔底壁厚 18mm，塔頂?shù)谋诤駷?8mm，塔筒的體積為 。對 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。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)的對比，如表 51 所示。表 51 塔筒優(yōu)化前后的對比塔底壁厚 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。如表 52。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象，對風(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。最后以這些指標(biāo)為約束條件，塔筒壁厚為設(shè)計(jì)變量，塔筒質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，對該塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。經(jīng)過研究分析，可以初步得到以下結(jié)論：（1）對 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。為風(fēng)電機(jī)組的載荷設(shè)計(jì)計(jì)算提供了依據(jù)。（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)速工況下對塔筒的受力與穩(wěn)定性影響最大。（3）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，塔筒上應(yīng)力分布并不是均勻一致的，而是隨著高度的不同其應(yīng)力狀況有所變化，這主要是因?yàn)椴煌叨忍幩驳暮啅健⒑穸炔煌?，造成塔筒隨高度不同而變化的強(qiáng)度分布。（4）塔筒的最大應(yīng)力一般都出現(xiàn)在塔筒底部，故要對塔筒底部尤其是門洞附近要采取加固措施。門洞對塔筒基底應(yīng)力、塔頂位移以及固有頻率的影響很小，而對發(fā)生失穩(wěn)破壞的影響較大，因而在進(jìn)行塔筒屈曲分析時(shí)不能忽略門洞的影響。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。因此，對風(fēng)力機(jī)特別是水平軸風(fēng)力機(jī)的研究必將長期持續(xù)下去。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)。因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的分析上提出以下建議，以便為后續(xù)工作的順利開展奠定基礎(chǔ)。（1）對影響塔筒性能相關(guān)的各種基本問題進(jìn)行研究。其中，研究塔筒對地震載風(fēng)電塔筒受力模型分析研究 38 荷、尾流場效應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)律，應(yīng)是當(dāng)前研究的首要問題之一。（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。（3）機(jī)組運(yùn)行過程中，由于風(fēng)速風(fēng)向是不斷變化的，塔筒的受載既有周期性又有隨機(jī)性的特點(diǎn)，將來還應(yīng)對其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。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］ 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