基于有限元法水平轴风力发电机塔架的静态分析.kdh
风力发电机组关键部件的有限元分析
1、可以对复杂几何形状和材料属性进行模拟，从而得到更精确的结果。 2、可以考虑各种边界条件和外部载荷，以实现对真实工作条件的准确模拟。
3、可以对各种材料和结构进行建模，以优化其性能和可靠性。
在风力发电机组关键部件的有限元分析中，通常需要选择合适的单元类型和材 料属性，并应用以下步骤进行分析：
1、对部件进行几何建模，并确定材料属性（如弹性模量、泊松比等）。
1、增加数据样本的数量和多样性，以提高故障诊断模型的泛化能力和准确性。
2、深入研究深度学习算法，尝试引入新的网络结构和训练策略，以提高故障 诊断模型的性能。
3、针对风力发电机组的关键部件故障，开展更为深入的分析和研究，以提出 更为针对性的维修策略和预防措施。
4、将本研究成果应用于实际风力发电站，进行现场验证和优化，以推动风力 发电技术的进一步发展。
2、轴承有限元分析
通过对轴承进行有限元分析，可以得出其应力、应变分布情况，以及接触应力 和表面磨损等信息。这有助于优化轴承的结构设计，提高其承载能力和使用寿 命。
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3、齿轮有限元分析
通过对齿轮进行有限元分析，可以得出其应力、应变和功率变化等情况。齿轮 的工作过程中，接触应力和弯曲应力是导致其失效的主要原因。因此，通过有 限元分析，可以优化齿轮的结构设计，降低接触应力和弯曲应力，从而提高齿 轮的可靠性和使用寿命。
3、齿轮：齿轮是风力发电机组中重要的传动部件，它将风能传递给发电机。 齿轮需要具有高强度和耐磨性，以确保长期稳定的工作。
二、有限元分析方法
有限元分析（FEA）是一种数值分析方法，它将一个连续的物理系统离散成由 有限个单元组成的模型，并通过计算得出每个单元的响应，从而对整个系统进 行仿真分析。在风力发电机组关键部件的分析中，有限元法具有以下优势：
风力机筒形塔架结构静动态特性的有限元分析
风力机筒形塔架结构静动态特性的有限元分析①陆萍 黄珊秋 张俊 宋宪耕(山东工业大学机械工程学院,济南250061)文 摘:讨论了水平轴风力机筒形塔架结构的静动态分析建模和有限单元类型的选取及计算方法,并以200k W 风力机的六棱锥筒形塔架为例,计算并给出了静动态特性。
关键词:风力机,锥筒形塔架,有限元法0 引 言水平轴风力机的塔架要承受风轮、发电机组和传动系统等重量,它直接影响风力机的工作可靠性。
为确保机组的正常运行,要求合理地设计塔架的强度和刚度,并需分析计算塔架的静动态特性。
本文以200k W 风力机的六棱锥筒形塔架为例,利用AD I NA 大型有限元程序完成了自动建模和静态与动态特性的分析计算。
1 塔架建模200k W 风力发电机是水平轴的上风式并网风力发电设备,其主要组成部分如图1所示。
塔架建模时,尽可能如实反映塔架结构的主要力学特性,并力求采用较简单模型,所作的简化假设是:(1)由于装有发电机、变速器及制动器等的短仓刚度远大于塔架的刚度,故将短仓简化为作用在塔架顶端的集中质量和转动惯量,并可绕塔架中心轴转动。
(2)风轮简化为置于塔架顶部短仓悬臂端且可绕风轮水平中心轴转动的转子。
(3)塔架简化为底端固定、顶端自由的空间薄壁六棱锥筒形结构。
(4)塔筒采用壳单元模型,塔顶采用板单元模型。
取塔脚横截面中心为原点的右手坐标系,如图2所示,其中x 轴为平行于风轮水平轴的外力方向。
沿塔架高度等分为40层,以每层的分界线与薄壁六棱锥的交点为节点,故该模型共有247个节点(含塔顶中心节点),三维壳单元240个,板单元6个。
图2为由自动建模程序生成的塔架计算模型。
第18卷 第4期1997年10月 太 阳 能 学 报A CTA EN ER G I A E SOLA R IS S I N I CA V o l 118,N o 14O ct .,1997①本文1996210228收到图1 风力发电机结构简图图2 计算模型2 有限单元法的应用将风力机塔架作为大型的线弹性结构处理,要直接从基本方程求解往往很困难,而有限元法是解决此类问题的非常有效的数值分析方法。
基于ANSYS Workbench的大型风力发电机组塔架静态分析
基于ANSYS Workbench的大型风力发电机组塔架静态分析张晓峰;张静;姚金山【摘要】针对大型风力发电机组塔架事故发生率高的问题,以酒泉风电基地瓜州风电场某大型1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)为研究对象,利用ANSYS Workbench软件建立大型风力发电机组塔架的三维有限元模型,进行静态强度分析和刚度分析,准确计算出塔架在各种荷载下的应力及塔顶位移.计算结果表明:被分析的1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)整体结构满足强度和刚度要求,为塔架的优化设计提供了依据.【期刊名称】《太阳能》【年(卷),期】2012(000)015【总页数】4页(P36-39)【关键词】ANSYS Workbench;大型;风力发电机组;塔架;静态分析【作者】张晓峰;张静;姚金山【作者单位】河西学院新能源研究所;河西学院新能源研究所;河西学院新能源研究所【正文语种】中文一引言塔架是风力发电机组重要的承载部件，它除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动荷载，其设计水平将直接影响风力发电机组的性能。
据统计，在风力发电机组受损的诸多因素中，塔架占18%，为各项破坏因素之首，这说明目前塔架的设计还存在许多问题[1]。
本文以酒泉风电基地瓜州风电场运行的某大型1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)为研究对象，应用有限元分析软件ANSYS Workbench进行塔架静态强度与刚度分析，以提高塔架的设计使用水平。
二力学模型与技术参数1 模型简化原则(1)大型风力发电机组通常采用锥筒型高耸塔架，根据其几何特征和受力特点可将其简化成集弯曲变形、轴向压缩变形及扭转变形为一体的复杂梁柱问题来处理。
(2)机舱、轮毂和叶片的重量作为集中力加载在塔架顶端，同时考虑集中力偏离塔架中心引起的弯矩。
(3)将坐标原点设在塔筒底部中心位置。
塔架底部固定，即约束所有自由度。
(4)采用荷载等效原则，将作用在塔架结构上的风荷载进行静力等效，也就是将塔架上的面荷载等效为节点集中荷载。
基于有限元法的风力发电机塔架强度的仿真分析
浅 析 地 下 停 车 场 的通 风 工 程
高 岳 文 郑 轩
（、 １ 大连 永 高 房屋 开发 有 限公 司 ， 宁 大连 ｌ６ ０ ２ 大连 新 盛 消 防 工程 有 限公 司 ， 宁 大连 １６ ０ ） 辽 １０ １ 、 辽 １０ １
用 四 面体 Ｓ Ｉ ８ ＯＬＤ１６单 元 ，塔 架 有 限 元 模 型 总 共 包 括 １ １３ ０ ３ ８个 单 元 ， ２ ８４ ０ ７０个节点 。如 图 ３ 所示 。
（ ） 自由度模型 （ ） 力学 简化 模型 （ ） ａ单 ｂ动 ｃ 有限单元 模型 图 １风力杠蟮 架动力学分 析模型
后处理可以得到我们所需要的载荷信 息， 可以准确直观的 Ｂ 塔架的最大位 移量 ， 图 ４所示 。 如 通 过上 面的分析 ， 以得 出以下结 论 ：） 动力学 分析 （ 转 １ ７页 ） 可 １在 下 ３
祝水 琴 （ 导教 师 ） 指
实践 ・ 思考
民营科 技
２ １ 年第４期 ０ｔ
。
对风电机组的塔架进行设计后时， 需要在考虑机组在各种工况条件下 ， 分 析塔架 的载荷 强度 ， 是否满 足静 强度要求 。 过在 各种载 荷工况 下的分析 。 通
可 以对塔架 进行 疲劳和 强度分 析 。 通过 有限元 法及有 限元分析 软件 可以准 确计算 出塔架 的应力变 化 ， 过 通
ｉ， 料为 Ｑ ４ 钢 ， 料力学 性能见 参数表 １ ｎ材 ３５ 材 。 表 １Ｑ ４ ３ ５的力学性 能
塔架模型分为四段 ， 建模时建在各段之间的法兰和塔架底部的舱门。建 立模型时 ｘ轴为风向， Ｙ轴为竖直方向， 轴为水平方向， ｚ 各模型的坐标系都
相 同。
模型采用 Ｓ ＬＤ ８ 单元进行载荷计算。对塔架进行网格划分， Ｏ Ｉ １６ 整体采
水平轴风力发电机塔架的振动模态分析
文章编号:167325196(2009)022*******水平轴风力发电机塔架的振动模态分析赵荣珍1,2,吕 钢1,2(1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州 730050;2.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050)摘要:根据多自由度模态分析理论,对水平轴风力发电机塔架的振动模态进行数学建模和仿真.运用次空间迭代法对模型进行数值计算,分析塔架在自由振动时的力学特性,获取塔架的固有频率和振型.结果表明,塔架的一阶固有频率高于叶片通过频率,属于刚性塔,不会因风轮激励而产生共振;依据振动理论,塔架振动过程的能量主要集中于一、二阶频率处,而一、二阶振型均为摆振,因此摆振是塔架的主要振动方式,是引起塔架疲劳破坏的主要原因.关键词:水平轴风力发电机;塔架;有限元;模态分析;振动频率中图分类号:T K89 文献标识码:AModal analysis of vibration of tow er of horizontal2axis wind turbineZHAO Rong2zhen1,2,L U Gang1,2(1.Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application,The Ministry of Education,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China;2.College of Mechano2Electronic Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:According to t he t heory of multimodal analysis,mat hematical modeling and simulation of vibra2 tional mode were conducted for t he tower of horizontal2axis wind t urbine.Numerical evaluation of t he model was performed by using sub space iteration met hod and t he mechanical characteristics of t he tower wit h nat ural o scillation was analyzed so t hat it s inherent f requency and inherent vibration mode were ob2 tained.It was shown by t he analysis t hat t he first2order innate f requency of t he tower was higher t han blade passing frequency(BPF),meaning t hat t he tower was a rigid one and it s resonance might be caused by t he stimulation of wind wheel would not take place.According to vibration t heory,t he energy of tower vibration was focused at t he first2and second2order frequency on it s t he vibration mode,showing t hat t he shimmy was t he main tower vibration mode which was t he main reason of tower fatigue.K ey w ords:horizontal2axis wind t urbine;tower;finite element;modal analysis;vibration frequency 被称为“蓝天白煤”的风力资源,是一种取之不尽,又不会产生污染的可再生能源.目前国外的商品化大型风力发电机组的单机容量已发展到10MW 级水平,塔架最大高度已达120m[1],随着塔架高度的不断增加,作用在塔架上的载荷的交变性和随机性更为明显,其本身又是弹性结构,因此塔架的振动是不可避免的.振动带来的疲劳会降低材料的强度,缩短整机的使用寿命.所以对塔架的结构动力学特性分析是风力机研究工作的一项重要环节. 收稿日期:2008207204 基金项目:国家自然科学基金(50875118),兰州市科技攻关项目(200821216) 作者简介:赵荣珍(19602),女,山东枣庄人,博士,教授,博导. 近年来,有限元法已广泛应用于塔架结构的计算.国内许多研究者[226]对塔架的动态特性做了研究,如在国家“八五”新能源科技攻关项目“风力机气动设计软件包结构动力学特性分析子包”的研究中,陆萍等人[729]结合风力发电机组塔架几种典型结构的特点,采用自动划分单元网格技术,利用FOR2 TRAN语言编制了一个自动化程度较高的有限元前后处理程序,并且以筒型塔架为例计算了它的动态特性[6].但是,大部分研究主要是围绕珩架式塔架或小型风力发电机塔架为主,对兆瓦级的风力发电机的圆筒型塔架的振动模态分析还相对比较缺乏.基于此种状况,针对1.5MW风力发电机的圆筒型塔架,本文利用ANS YS软件,对大型风力发电机的第35卷第2期2009年4月兰 州 理 工 大 学 学 报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.35No.2Apr.2009圆筒型塔架的动力学建模及塔架的振动模态问题进行了研究,为塔架的动态设计提供理论依据.1 多自由度模态分析基本理论模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型.具有n 个自由度的无阻尼振动系统的振动微分方程可表示为M ¨x +K x =f (t )(1)式中:M 为塔架结构的整体质量矩阵,K 为塔架结构的整体刚度矩阵.令f (t )=0,则式(1)成为M ¨x +K x =0(2) 设解的一般形式为x =φsin (ωt +α)(3) 将式(3)代入式(2)可得特征值方程:(K -ω2M )φ=0(4)该方程有非零解的充要条件是:K -ω2M =0(5) 解式(5)即得ω的n 个互异正根ω0i ,将每一个ω0i (i =1,2,…,n )代入式(4),则可得到关于φ中元素的具有n -1个独立方程的代数方程组,共求得n 个线性无关的非零矢量φi 的比例解.进行归一化以后,称为主振型(模态振型、模态矢量或模态)即为固有振型,此时为实矢量:φi =[φ1i φ2i … φ3i ]T 将n 个特征矢量φi 按列排成n ×n 阶阵,可得系统的特征矢量矩阵:φ=[φ1 φ2 … φn ] 此时特征矢量为模态矢量或模态矩阵,即为模态振型.2 塔架的模态分析2.1 塔架有限元动力特征方程的建立塔架由有限元离散化处理后,应用瞬时最小势能原理,可导出结构运动微分方程:M ¨q +C q +K q =F (6)式中:C 为塔架结构的整体阻尼矩阵,q 为有限元节点位移列阵, q 为有限元节点速度列阵,¨q 为有限元节点加速度列阵,F 为有限元节点所作用的外力列阵.若右端项F =0,在非零的初始条件下,方程(6)有非零解,这时塔架处于自由振动状态.由于没有外载作用,方程的解反映了结构本身固有的特性,即频率与振型.工程上,一般在讨论塔架的这种固有动力特性时,忽略系统阻尼的影响,方程(6)可变为K φ=λM φ(7)式(7)即为塔架结构动力学问题研究的广义特征值方程.式中求解的未知量λ=ω2和φ分别为塔架结构的固有频率值和模态矢量.2.2 塔架有限元模型的建立风力发电机组塔架除塔筒本身之外,还有一些其他的附属设备,如平台、爬梯、通风口、门洞等.分析计算时,塔架几何模型应该作适当的简化,简化的原则是在保证计算精度的前提下对一些与塔架动力特性没有重要作用的部位作简化,以提高计算速度.塔架的几何尺寸见图1和表1.图1 塔架结构图Fig.1 Tow er conf iguration表1 塔架的几何尺寸T ab.1 G eometric dimension of tow er塔架节号高度/m直径/m板厚/mm10 5.66318220.5 4.95318341.0 4.95316461.5 4.24316582.04.24314将塔架作为一个整体,分析其振动特性,采用ANS YS 软件求解塔架的模态响应问题.分析过程包括前处理、加载求解和后处理3个基本步骤,而建立正确的有限元模型是整个前处理过程中最关键的一步,进入前处理器/PREP7以后,选用8节点SH ELL93壳单元类型,定义弹性模量E =20GPa 、泊松比μ=0.3及密度ρ=7850kg/m 3.在ANS YS 界面下建立实体模型,经过网格划分后成为有限元模型.首先选取定义了的单元资料,然后定义塔架单元网格划分时单元边长为0.25m ,经网格划分器M ESH TOOL 处理,生成22D 单元网格.网格设定・43・ 兰州理工大学学报 第35卷所需要的参数将决定网格的大小、形状,影响分析时的正确性和经济性[10].整个塔架采用8节点SH ELL93壳单元,利用智能控制自由网格划分方式,将模型离散为6164个单元,12379个节点.2.3 求解和后处理在加载和求解的过程中,选用模态分析类型,定义扩展模态数为5,分析固有频率为0～10Hz ,施加零位移约束及指定加载阶段选项,并进行固有频率的有限元求解.在典型的模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束,对于风力发电机塔架,其底端自由度为0,施加约束以后,进入求解器/SOL U ,选用子空间迭代法求解塔架的固有频率和振型[10].求解获得的模态分布结果如图2～6所示,固有频率计算结果见表2.当外界激振频率接近塔架固有频率时,塔架的振动幅度加剧,此时将导致风力发电机塔架因共振而破坏.塔架在风轮周期激励下的共振曲线如图7所示.图2 塔架的一阶振型图Fig.2 First 2order vibration mode of tower图3 塔架的二阶振型图Fig.3 Second 2order vibration mode of tow er表2 塔架的前五阶固有频率T ab.2 Inherent frequency values of tow er f irst f ive orders阶数频率/Hz载荷步子步10.9083381120.912911123 4.613000134 4.6290001457.05900015图4 塔架的三阶振型图Fig.4 Third 2order vibration mode of tower图5 塔架的四阶振型图Fig.5 Forth 2order vibration mode of tower图6 塔架的五阶振型图Fig.6 Fifth 2order vibration mode of tower图7 30m 处塔架的位移曲线Fig.7 Displacem ent cu rve of tow er at elev ation of 30m eters・53・第2期 赵荣珍等:水平轴风力发电机塔架的振动模态分析 3 塔架在风轮周期激励下的位移响应前面的振动模态分析是分析塔架的动力特性,与结构受什么样的荷载没有直接关系,只要确定了其自身的质量、弹性模量、泊松比等材料参数,并施加了边界约束就可以得到此状态下的各阶自振频率和振型(也称为模态),而谐响应分析是分析结构在不同频率的简谐荷载作用下的动力响应,与结构所受荷载有关,只是结构所受荷载都是简谐荷载,图7所示为30m高度处塔架在风轮周期激励下的位移响应.4 结果分析及讨论确定模态频率是模态分析最基本的目的,因为确定了系统的模态频率就可以知道系统在什么频率范围内振动比较敏感,结合表2和图7,在0～10Hz 内,塔架的模态频率比较密集,是影响塔架振动的主要区域,并且当外加激励转频率和塔架的固有频率一致时发生共振,塔架振动幅度加剧,此时将导致塔架因共振而破坏.另外,图7中每一个位移峰值所对应的激励频率正是塔架的模态频率,因此,设计风轮的旋转频率应避免共振区域,防止塔架破坏.从振型图可以看出,前四阶振型中看不到明显的扭转变形,要到更高阶的振型才会有较显著的表现.第五阶模态以后,出现了径向挤压振动模态并伴有扭转变形,但根据振动理论,塔架振动过程中的能量主要集中于一、二阶频率处,所以摆振是风力发电机塔架的主要振动,而扭转振动对于风力机塔架不是主要的振动.模态振型反映了结构在一定的模态频率下以什么样的形式进行振动,其各部位振动幅值的相对关系如何.以第一阶振型为例,当塔架以0.924102Hz振动时,塔架将以如图2所示的形状进行摆振.塔架每相邻两阶自振频率基本相等,这是由于风力机塔架结构对称所致.塔架的自然频率大于叶片穿越频率时称为刚塔,而塔架的自然频率在风轮旋转频率和叶片通过频率之间时称为柔塔,如果自然频率小于旋转频率,则称为超柔塔.本文所研究的风力发电机风轮额定转速为9.6r/min,则风轮旋转频率ω01=0.16Hz,叶片通过频率ω02=0.48Hz,该塔架的一阶频率ω1大于叶片通过频率ω02,属刚性塔,同时满足ω1-ω02ω02 >20%,风轮激励不会引起塔架共振,因此系统是安全的.5 结论1)通过模态分析可以确定风力发电机塔架的固有频率和固有振型,依据求解出来的固有频率可以判断塔架在外载荷激励下是否会发生共振.2)摆振是风力发电机塔架的主要振动,造成塔架顶端振动幅度较大,是引起塔架疲劳破坏的主要原因之一,在设计结构时应予以注意.从模态分析的角度,该尺寸的塔架性能是可靠的,分析极限载荷情况下塔架的性能将在静态分析中予以研究.参考文献:[1] R YAN K,J ASON C.Hydrogen storage in wind turbine towers[J].International Journal of Hydrogen Energy,2004,29(12): 127721288.[2] 陆 萍.有限元软件在风力机塔架结构分析中的应用[J].农业机械学报,2000,31(2):1162117.[3] 李德源,叶枝全,陈 严.风力机旋转叶片的多体动力学数值分析[J].太阳能学报,2005,26(4):4732481.[4] 陈 严,欧阳高飞,叶枝全.大型水平轴风力机传动系统的动力学研究[J].太阳能学报,2003,24(5):7292734.[5] 陆 萍.风力机塔架结构通用前后处理系统[J].太阳能学报,2000,3(21):2882291.[6] 李华明.基于有限元法的风力发电机组塔架优化设计与分析[D].新疆:新疆农业大学,2004.[7] 陆 萍,秦惠芳,栾芝云.基于有限元法的风力机塔架结构动态分析[J].机械工程学报,2002,9(38):1272130.[8] 陆 萍,黄珊秋,张 俊,等.风力机筒形塔架结构静动态特性的有限元分析[J].太阳能学报,1997,18(4):3592364.[9] 黄珊秋,陆 萍.ZOND Z240风力机塔架的模态分析[J].太阳能学报,2001,2(22):1532156.[10] 周长城,胡仁喜,雄文波.ANSYS基础与典型范例[M].北京:电子工业出版社,2007.・63・ 兰州理工大学学报 第35卷。
水平轴风力机等效静力风荷载下的响应分析
水平轴风力机等效静力风荷载下的响应分析王博;宋曦【摘要】根据某1.5 MW水平轴风力机的结构特征,建立风力机的有限元模型,基于高耸结构设计规范得到两种工况下风力机的等效静力风荷载.运用ANSYS软件分别计算风力机在两种等效风荷载下的拟静力响应,得到风力机各部件应力与位移的分布情况.结构的最大应力发生在塔架底部为67.3 MPa,机舱的最大位移为0.41 m.结果表明,风力机满足静力下的强度要求,为风力机的设计制造提供了理论依据.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2014(026)004【总页数】5页(P114-118)【关键词】水平轴风力机;等效静力风荷载;ANSYS模拟;响应分析【作者】王博;宋曦【作者单位】兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学理学院,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TK83;O242.21风力机作为一种将风能转化为电能的装置，向着大型化、高耸化发展，由于其具有高度高、外形细长等特点，受到风荷载的影响很大，深入研究风力机在风荷载下的响应情况对保证其安全运行有着重要的意义．近年来，国内外学者对风力机的特性进行了一系列研究［1－5］，在工程设计中，针对风荷载下结构的响应问题，专家们提出了等效静力风荷载的概念［6，7］，它是一种将作用在结构上的风荷载转化为静力荷载的计算方法，主要有阵风载荷因子法（GLF）、惯性风荷载法（IWE）等．以某1．5MW水平轴风力机为研究对象，利用有限元软件ANSYS建立结构的有限元模型，结合风力机的外形特征计算两种工况下结构的等效静力风荷载，考虑结构自重，分析风力机在等效风荷载下的拟静力响应，得到结构在两种工况下的位移及应力的分布情况．通过分析对比，风力机满足两种风况下的静强度要求，为风力机的设计制造提供依据，并为其动态响应分析提供参考．1 风荷载通常风可分为平均风与脉动风两部分，平均风的作用相当于静荷载，脉动风周期较短，其作用性质完全是动力的［8］．惯性风荷载法是根据随机振动理论计算脉动风作用下的结构响应，并认为等效静力风荷载等于结构产生该响应的惯性力，在我国的载荷规范中，等效静力风荷载的计算正是基于此种方法．风力机作为一种特殊的高耸结构，其风轮存在旋转与不旋转两种状态，不同状态下风轮所受风荷载的大小不同，以下依据高耸结构设计规范及风力机的工作原理对风力机的等效静力风荷载进行计算．1．1 高耸结构的等效风荷载根据设计规范，垂直作用于高耸结构表面上单位面积的风荷载标准值计算公式为［8］其中：wz为作用在高耸结构z高度处单位面积上的风荷载标准值（kN／m2）；βz为z高度处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为z高度处的风压高度变化系数；w0为该地区的基本风压（kN／m2）．自立式高耸结构在z高度处的风振系数βz的计算公式为其中：ξ是脉动增大系数；ε1是风压脉动和风压高度变化等的影响系数；ε2是振型、结构外形的影响系数．1．2 风轮的等效风荷载根据Betz动量理论［9］，可得作用在旋转风轮上的轴向力T为其中：A为风轮扫风面积；pa为风轮前的静压；pb为风轮后的静压．由伯努利方程可得其中：ρ为空气密度；v1为风轮前来流速度；v2为风轮后尾流速度；v为流过风轮的速度；p1、p2分别为风轮前、后远方的气流静压，且假设p1＝p2，得出定义轴向诱导因子a，并将v2＝v1（1－2a）代入式（7），可得风轮推力系数CT＝4a（1－a），因此旋转风轮上的轴向推力T可表示为2 风力机的有限元模型选取某1．5MW水平轴风力发电机为研究对象，塔架为变截面的锥形筒体结构，材料为Q345钢，塔高78m，底端直径4．23m，顶端直径2．98m；叶片为玻璃钢复合材料，叶轮直径为77．36m．风力机各部件的具体参数如表1所列．表1 材料参数Table 1 Material parameters部件弹性模量E／（N·m－2）密度ρ／（kg·m－3）泊松比μ叶片 4．26×10101 950 0．220机舱2．06×1011 570 0．300塔架 2．06×1011 7 850 0．300承台3．15×10102 600 0．167建立风力机有限元模型时，塔架及叶片采用壳单元模拟，且塔架底部开门洞；机舱在塔架顶端，简化为一个质量块，用实体单元模拟；混凝土承台以下的每根桩基等效为一组水平和竖向刚度分别为Eh＝1．8×107 N／m2，Ev＝1．9×108 N／m2 的弹簧来模拟．机舱与塔架、塔架与承台之间采用刚性连接，叶片根部全约束．风机整体结构的有限元模型如图1所示．3 风力机的拟静力风响应3．1 两种工况的确定图1 风力机的有限元模型Fig．1 The finite element model of the wind turbine根据该风力机的技术参数可知，风机在风速达到其切入风速3m／s时开始启动工作，当达到11m／s时风力机开始以额定功率发电，随着风速的增加，风机一直控制在额定功率附近发电，直到风速超出其切出风速25m／s（10min均值）时，风机自动停机．因此，风力机在整个运行过程中可能出现两种极端情况对风机造成破坏：一种是当叶片旋转工作时，风机的扫风面积远大于叶片不旋转时的迎风面积，作用在风轮上的轴向推力在某个风速下达到最大值；另一种是风机受到所处地区极限风载的情况．因此，为保证风机安全工作，分两种工况分别计算风力机的等效静力风荷载．利用式（9）可以计算出风机在叶片旋转时各风速下的轴向推力，经过对比分析，在风速为11m／s时，风荷载作用在风轮上的轴向推力最大，这与文献［7］得到的结果相符合．两种工况具体如下：工况1：风速按11m／s计算，此时风机正常工作，风轮所受轴向推力最大；工况2：按甘肃西北地区100年一遇风压计算，此极限风速超出风机切出风速，风机自动停机．3．2 等效静力风荷载塔架及叶片是风力机主要的受风构件，叶片所受风压加载在叶片的迎风面上，塔架所受的风压作用在与叶片迎风面方向一致的结构面上．（1）对于工况1，通过计算得到风速为11m／s时风轮上的轴向推力为218．96kN，将其平均作用在3个叶片上．塔架按高度自底至顶依次分为4段，各段高度用段中节点的高度表示，根据各段结构参数通过规范可以得到计算等效风荷载的相关系数．塔架各段等效风荷载如表2所列．表2 工况1下塔架各段等效风荷载Table 2 Equivalent wind load of the wind turbine tower under the first working condition塔段编号风振系数βz体型系数μs风压高度变化系数μz等效风荷载wz／（kN·m－2）1 1．07 0．6 1．00 0．049 2 1．50 0．6 1．42 0．097 3 1．86 0．6 1．67 0．141 4 2．14 0．6 1．86 0．181表3 工况2下风机各部件的等效风荷载Table 3Equivalent wind load of each part of the wind turbine under the second working condition部件编号风振系数βz体型系数μs风压高度变化系数μz等效风荷载wz／（kN·m－2）1 1．07 0．6 1．00 0．385塔段2 1．50 0．6 1．42 0．767塔段3 1．86 0．6 1．67 1．118塔段4 2．14 0．6 1．86 1．433叶片1 1．98 1．0 2．05 2．435叶片2、塔段3 1．99 1．0 1．85 2．221 （2）对于工况2，根据全国基本风压标准值表，甘肃西北地区B类地貌100年一遇的基本风压w0为0．6kN／m2，对应风速约为31m／s（10min均值），此时风机自动停机，此状态下风机整机按高耸结构计算，风机各部件等效风荷载如表3所列．3．3 拟静力响应将两种工况下的等效静力风荷载分别施加到风力机模型上，通过ANSYA分析得到结构的等效位移云图和等效应力云图分别如图2～图5所示．图2 工况1下结构的等效位移Fig．2Equivalent displacement diagram of the structure under the first working condition图3 工况1下结构的等效应力Fig．3 Equivalent stress diagram of the structure under the first working condition图4 工况2下结构的等效位移Fig．4 Equivalent displacement diagram of the structure under the second working condition图5 工况2下结构的等效应力Fig．5 Equivalent stress diagram of the structure under the second working condition通过对风力机在两种工况下的等效静力分析，从图2和图4可以看出，两种工况下机舱处的位移分别为0．168m（11m／s风速下）、0．41m（极限风速下）．为确保风力发电机内部设备的性能要求，将高度超过40m塔架的顶部许用位移控制在塔架总高度0．5%～0．8%的范围内［10］，我们设定塔架高度78m，许用位移为0．39～0．624m，因此结构在两种工况下均满足塔顶位移要求．相比于风力机塔架的变形，叶片的变形较为明显，最大位移都发生在顶部叶尖处，因为叶片的刚度在风力机所有部件中是较小的，并且叶片又是主要的受风部分，因此工程实际中，通常对叶片采用预弯曲技术，从而避免风机在工作时叶尖触碰到塔架的情况发生．从图3和图5得知，塔筒的迎风面与背风面受到的弯曲应力较大且随着高度增加应力减小，在接近与机舱连接处时，塔筒的应力又开始增加，最大应力均出现在塔筒背风面的塔底处，最大值分别为61．2MPa（11m／s风速下）、67．3MPa （极限风速下），而最大应力强度小于材料许用应力，说明结构满足静力下的强度要求．由于实际需要，塔筒底部通常开门洞，造成结构刚度有所降低，因此塔筒下半段为较易发生破坏的区域，在结构设计时，塔筒底部应较厚且对门洞周围做加固处理．叶片上的最大应力出现在叶片根部，沿着叶尖方向逐渐减小，因此叶片根部通常较厚，从而保证叶片的强度．4 结论在建立风力机有限元模型的基础上，基于规范计算两种工况下风机的等效静力风荷载，通过ANSYS软件对结构进行数值计算，得到以下结论：（1）根据风力机的结构参数，考虑桩基的刚度及塔架底部开门洞等实际情况，建立风机整机的有限元模型，通过分析风力机的工作情况，讨论风机不同状态下等效静力风荷载的计算方法，并结合其外形特征计算两种工况下风机的等效风荷载，为风机的静力分析提供荷载依据；（2）通过对风力机的拟静力响应分析，得到风机在两种工况下的应力都满足材料的许用应力，塔架顶端的位移也在允许范围内，说明该风力机满足甘肃西北地区风况下的静强度要求．另外，根据结构应力及位移的分布情况，对发生破坏可能性较大的部位，在设计制造时应进行特别处理；（3）对风力机进行等效风荷载下的拟静力分析，为进一步开展结构的疲劳分析及动力响应研究奠定基础，由于风力机作为一种特殊的高耸结构，它的空气动力特征较为复杂，因此为了更准确掌握风机结构的动态特性，还需要建立精确的脉动风场并考虑叶片的气动特性．【相关文献】［1］李仁年，童跃，杨瑞．风力发电机塔架固有频率和振型的有限元分析［J］．甘肃科学学报，2011，23（3）：72－75．［2］ Gebhardt C G，Preidikman S，Massa J C．Numerical Simulations of the Aerodynamic Behavior of Large Horizontal－axis Wind Turbines［J］．International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（11）：6 005－6 011．［3］ Bazeos N，Hatzigeorgiou G D，Hondros I D，et al．Static，Seismic and Stability Analyses of a Prototype Wind Turbine Steel Tower［J］．Engineering Structures，2002，24（8）：1 015－1 025．［4］宋曦，戴建鑫．水平轴风力机塔架的力学建模及ANSYS仿真分析［J］．甘肃科学学报，2011，23（1）：91－95．［5］章子华，王振宇，刘国华．风电场脉动风模拟及风机塔架动力响应研究［J］．太阳能学报，2011，32（7）：992－998．［6］李毅，李秋胜．基于风致响应的高层建筑等效静力风荷载优化设计研究［J］．湖南大学学报：自然科学版，2013，40（4）：26－31．［7］傅洁，何斌，安逸，等．风轮风荷载等效系数计算方法研究［J］．可再生能源，2013，31（2）：19－23．［8］张相庭．结构风工程理论、规范、实践［M］．北京：中国建筑工业出版社，2006．［9］赵振宙，郑源，高玉琴，等．风力机原理与应用［M］．北京：中国水利水电出版社，2011．［10］王峰，陈琪，余国城．大型风力发电机组塔架刚度的研究［J］．能源工程，2005，25（6）：38－40．。
基于有限元分析的风电塔结构设计研究
基于有限元分析的风电塔结构设计研究第一章绪论1.1 风电塔结构的概述风电塔结构是支撑风力发电机组的重要组成部分，它承载着风机的重量和风压荷载。
风电塔结构设计直接关系到风电场的安全、可靠、经济和高效运行。
随着风力发电逐渐成为清洁能源的主流，风电塔结构的研究和设计也越来越受到关注。
1.2 有限元分析的基础知识有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)是一种利用计算机模拟结构的方法，对结构进行数值分析的技术手段。
它采用离散化处理，将复杂的结构分割成有限多个小单元，每个小单元受到指定的载荷，模拟结构的整体响应情况，最终得到结构的力学性能和破坏过程。
有限元分析计算时间通常较长，但可靠性高，广泛用于工程领域中的结构分析、设计、优化和验证等方面。
第二章风电塔结构设计2.1 风电塔的基本构造风电塔结构主要由腿、塔筒、基础、液压系统和绝缘体等组成。
其中，腿和塔筒是支撑风机的主体结构，基础是将风电塔固定在地面的重要组成部分，液压系统是控制风机的转动的关键所在，绝缘体则是保证风机安全运行的重要设备。
2.2 风压荷载的作用风压荷载是指风经过建筑物的表面，由风压力产生的荷载。
风压荷载直接影响到风电塔结构的稳定性和可靠性。
通常将风场分为三个等级，对应不同的荷载值。
2.3 结构设计的要求风电塔结构设计要求具有足够的强度和刚度，能够承受风力发电机组全寿命周期内的所有荷载。
此外，还需要考虑到施工、运输、安装等方面的要求，以提高工程的效率和经济性。
第三章有限元分析在风电塔结构设计中的应用3.1 有限元模型的建立有限元分析需要将结构分割成有限多个小单元，采用合适的有限元模型能够准确预测风电塔结构的响应。
通常采用三维的梁单元、壳单元进行建模。
梁单元用于模拟风电塔结构的腿部和塔身的构造，壳单元用于模拟塔筒的结构。
3.2 荷载的模拟风场中的荷载非常复杂，包含风压荷载和温度荷载等多种影响因素。
有限元分析需要对风压荷载和温度荷载进行模拟，并根据实际情况进行组合，得到最终的荷载作用效果。
基于有限元方法的风电机组塔筒及法兰优化设计
基于有限元方法的风电机组塔筒及法兰优化
设计
1 引言
风电作为一种具有广泛发展前景的清洁能源，已经成为人们日常
生活中不可或缺的一部分。
风电机组中塔筒及法兰作为其中一个重要
的组成部分，对该机组的稳定性和安全性有着至关重要的作用。
因此，对塔筒及法兰进行优化设计显得尤为重要。
2 有限元方法
有限元方法是一种以数值计算为基础的工程计算方法，可以通过
将连续问题中的区域离散化为有限数量的子区域来进行计算。
在工程中，有限元方法被广泛应用于结构分析、流体力学、热传导等领域。
3 塔筒优化设计
塔筒作为风电机组的支撑结构，其设计需要考虑到风区的最大风速、塔筒自重、风叶振动等多种因素。
通过有限元方法可以对塔筒进
行建模并进行强度及稳定性分析。
此外，借助优化算法，可以对塔筒
参数进行优化，如塔筒材料、壁厚、直径等。
优化设计可以提高塔筒
的稳定性和承载能力，同时降低制造成本。
4 法兰优化设计
法兰作为风电机组与塔筒相连的重要部件，需要满足高强度、耐
腐蚀、密封性好等要求。
通过有限元方法可以对法兰进行建模并进行
强度及接口分析，以确定法兰的最佳设计方案。
同样地，优化设计可以提高法兰的强度和接口性能，同时减少制造成本和维护费用。
5 结论
有限元方法是优化设计工程中的重要工具，能够有效地提高风电机组塔筒及法兰的设计效率和质量。
在塔筒及法兰的设计中，通过有限元分析来模拟真实的工作环境和载荷情况，得出最优的设计方案，是今后风电行业发展的必要条件。
基于有限元分析的发电机转子支架结构优化设计
文章编号:1001-2265(2009)12-0103-04收稿日期:2009-06-02作者简介:张学玲(1970)),女,山西文水人,中国人民解放军军事交通学院装运机械系副教授,博士,研究方向为结构动态设计及优化,结构仿真设计,(E -m ail)z hangxu eli ng0@163.co m 。
基于有限元分析的发电机转子支架结构优化设计张学玲1,唐毅1,满佳2(1.中国人民解放军军事交通学院装运机械系,天津 300161;2.天津大学机械工程学院,天津300072)摘要:以发电机转子支架的结构为研究对象,基于机械结构优化理论、方法和有限元方法,用ANSYS 软件对发电机转子支架结构进行了静态分析和模态分析;提出4种转子支架结构方案,通过比较各方案的强度及静、动态刚度,找出其中转子支架的最优方案结构;分析结果表明,通过改进的转子支架方案3的结构的机械强度和刚度性能都有所提高;本文所采用的方法也为复杂机械结构的优化设计提出了科学有效的途径。
关键词:有限元法;结构优化;转子支架;固有频率中图分类号:TG502;T H 122 文献标识码:AStructural Optim u m D esign of Dynam otor R ot or Spider Based on FEAZHANG Xue -ling 1,TANG Y ,i MAN Ji a2(1.H anding and Fac ilities Depart m en,t A cade m y of M ilitary Transportation,PLA,T ian ji n 300161,China ;2.M echanical Eng i n eering College ,T ian ji n University ,T ian ji n 300072,Ch i n a)Abst ract :Based on str ucture opti m izati o n m ethod and F i n ite E le m entM ethod (FE M ),the structures of dyna -m otor rotor sp i d er are ana lyzed by static and m oda l analysis m ethod w ith ANSYS .Four structures pro jects of ro -to r spider are proposed and the m ost opti m ized str ucture is found out through co m parison o f their streng th and static /dyna m ic stiffness .The analysis result sho w s tha t the t h ird str ucture pro ject o f r o tor spider has a better m echanical streng th and stiffness than others .The m ethod of the paper is also an exa m ple for the effective de -si g n of the co m plex m echanical str ucture .K ey w ords :fi n ite ele m ent m ethods ;str ucture opti m ization ;rotor spider ;natura l frequency0 引言机械零部件在工作时不仅受到静载荷作用,当外界有与其固有频率相近的激励时,还会引起共振,严重破坏结构从而引起失效。
基于有限元分析的风力发电机组结构优化研究
基于有限元分析的风力发电机组结构优化研究概述：风力发电作为一种可再生能源，已经得到了广泛的应用和研究。
然而，当前风力发电机组的结构存在一些问题，比如重量过大、振动和噪音过大等。
因此，本文通过基于有限元分析的方法，对风力发电机组的结构进行优化研究，以提高其性能和可靠性。
1. 有限元分析的原理及应用有限元分析是一种计算工程力学的方法，通过将结构划分为许多小的有限元单元，然后通过数值计算的方法，求解结构的应力、变形等物理量。
有限元分析具有较高的精度和适用性，在工程设计分析中得到了广泛的应用。
2. 风力发电机组的结构风力发电机组由塔架、机舱、叶片等组件组成。
塔架承载整个机组的重量，并将其固定在地面上。
机舱包含发电机和控制系统，负责产生电能和调节风向。
叶片是将风能转化为机械能的关键组件。
3. 结构优化的目标与方法通过有限元分析，可以分析机组结构的应力分布、振动特性等。
在优化中，我们的目标是降低结构的重量、减小振动和噪音，提高结构的稳定性和耐久性。
优化方法可以采用遗传算法、粒子群算法等智能算法，也可以采用参数化设计和灵敏性分析等方法。
4. 材料优化材料的选择对机组结构的性能有重要影响。
优化材料的性能可以从两个角度进行：一是根据结构的应力分布，选择合适的材料以满足强度和刚度要求；二是根据材料的物理特性，选择具有良好耐久性和防腐蚀性的材料。
5. 结构拓扑优化结构拓扑优化是指通过改变结构的拓扑形态，达到优化结构性能的目的。
拓扑优化的方法可以通过增减材料的方式，调整结构的稳定性和刚度。
通过有限元分析，可以对不同的拓扑形态进行仿真分析，选取最优解作为改进的结构形态。
6. 结构参数优化除了拓扑形态的优化，结构的参数调整也可以改善结构的性能。
例如，通过改变塔架的高度和厚度，可以减小风力对机组的作用力；通过调整叶片的扭曲角度和长度，可以提高叶片的风能转化效率。
通过结构参数的优化，可以获得更加合理和高效的结构设计。
7. 系统集成与优化风力发电机组是一个复杂的系统，其每个组件之间的相互作用会对整体性能产生影响。
应用有限元分析系统计算风力机塔架结构的动态特性
应用有限元分析系统计算风力机塔架结构的动态特性Ξ陆 萍 张 俊 黄珊秋(山东工业大学 250061)1 引言 风能无污染并可再生,是人类最早利用的能源之一。
为了充分利用风能资源,缓解能源紧张局势,近年来我国正在设计和研制技术先进的中大型风力发电机。
为改善风力机的设计手段,自“八五”以来,我国已正式立项开展“风力机设计软件包”的研制工作。
风力机塔架是重要的承载部件,其设计水平将直接影响风力发电机的性能。
为确保机组的正常运行,提高塔架自身的可靠性,在设计塔架结构时,应把塔架的动态特性计算作为一项重要内容。
风力机塔架的动态分析属于大型结构的弹性问题,要直接从基本方程求解往往很困难,而用有限元法解决此类问题是非常有效的。
目前我国普遍采用通用的大型有限元结构分析系统,如AD I2 NA、SA P5等,这些软件功能强,单元类型丰富,能真实地模拟复杂结构,但在使用前,用户必须根据结构分析的技术要求,对被分析结构进行简化,构造有限元分析的力学模型。
2 力学模型建立211 有限单元类型及建模方案选择 同一结构可以有多种可行方案,要合理选择单元类型及离散化程度,合理选择建模方案,是结构有限元分析是否能达到预期目的的关键。
塔架建模时,应尽可能如实反映结构的主要力学特性,并力求采用较简单模型。
对图1所示的空间系杆钢结构风机塔架,所作的简化假设是: (1)由于装有发电机、变速器及制动器等的短仓刚度远大于塔架刚度,故将短仓简化为集中质量作用在塔架顶端节点上; (2)风轮简化为置于塔架顶部,并可绕风轮中心轴转动的转子; (3)塔架简化为底端固定,顶端自由的空间系杆钢结构,塔顶采用板单元模型。
空间系杆钢结构塔架,经常可采用三种简化模型,即空间桁架结构(全杆单元),空间框架结构(全梁单元),梁—桁架组合结构。
图1 风力机结构简图 由图2所示的三维杆单元和三维梁单元坐标系可知,空间桁架结构的杆单元只承受轴力,且每个节点有三个自由度(u,v,w)。
基于有限元方法的风力发电机组结构设计研究
基于有限元方法的风力发电机组结构设计研究随着环保意识的不断提高，可再生能源的应用越来越广泛，其中风能作为一种核心的清洁能源类型备受瞩目。
风能发电已被广泛应用于各个领域，但要想高效地利用风能，在风能发电的系统中，风力发电机组结构设计的质量至关重要。
在设计过程中，有限元方法是一种被广泛应用的分析方法，它可以在一定的精度和计算量的范围内进行疲劳寿命和承载能力等结构评估。
本文将从有限元方法基础、风力发电机组结构设计中的重要因素、以及优化方法的应用，对风力发电机组结构设计问题进行一定的探讨。
一、有限元方法基础有限元方法是一种将实际的物理问题转化为数值计算问题的方法。
它将物理模型离散化为有限数量的单元，通过构建单元的刚度矩阵和质量矩阵来刻画模型的物理特性。
有限元法可以对结构进行分析和计算，求得结构响应和应力分布等物理量，进而对结构进行优化。
有限元方法的基础可以简化为四步：（1）建模：将结构离散化为有限元素的组合，用节点连接这些元素，建立计算模型（2）处理：对计算模型进行单元组装，求解结构刚度矩阵（3）求解：通过解析数学方程，得出结构的应力、应变、位移、刚度、质量等参数（4）后处理：根据计算结果，分析、解释、评估结构的疲劳寿命、承载能力等。
二、风力发电机组结构设计中的重要因素（1）塔筒设计塔筒是风力发电机组的支撑结构，它要承受巨大的重力和风荷载，并且要对疲劳寿命和抗雷电等方面进行评估。
在塔筒设计中，有限元方法可以帮助工程师对塔筒结构进行模拟分析，以评估哪些元素需要加固，哪些元素可以削减。
此外，还可以根据不同气候条件模拟分析塔筒的抗风性能、抗震性能。
（2）叶片设计叶片是风力发电机的核心装置，它要承受较高的风速和振荡荷载，同时还要确保叶片的强度、硬度、稳定性、疲劳寿命等指标的满足。
在叶片设计中，有限元方法可以通过建立叶片的三维模型来分析叶片在不同工作和环境条件下的振动特性、应力分布等。
设计师可以利用分析结果，来进行优化，确保叶片的性能达到最优。
风能发电机组设备安装施工中的土建结构静力学分析
风能发电机组设备安装施工中的土建结构静力学分析近年来，随着对可再生能源的需求日益增长，风能发电成为一种绿色、清洁、可持续发展的能源选择。
在风能发电机组的设备安装施工中，土建结构的静力学分析是至关重要的一环。
本文将围绕风能发电机组设备安装施工中土建结构的静力学分析进行探讨，以期对风能发电行业的工程师和技术人员提供有益的参考。
1. 引言风能发电是指利用风力将其转换为电能的过程。
风能发电机组由多个重要组件组成，包括土建结构、塔架、机舱、风轮等。
其中，土建结构作为支撑整个机组的基础，承担着支撑和稳定风能发电机组的重要功能。
2. 静力学原理静力学是研究物体在静止或匀速运动情况下的力学规律的学科。
在风能发电机组土建结构的分析中，我们需要考虑以下几个方面的静力学原理：（1）平衡条件：土建结构应处于平衡状态，即受力和力的矩的平衡。
通过静力学分析，我们可以确定土建结构受力情况，从而保证其稳定性。
（2）应力分析：土建结构在受力过程中会产生内应力。
通过对土建结构的应力分析，我们可以评估其承载能力，并确保其在安装施工过程中不会发生破坏。
（3）变形分析：土建结构在受力情况下会发生变形。
通过静力学分析，我们可以预测土建结构的变形情况，并合理设计结构以避免过大的变形。
3. 问题定义在风能发电机组设备安装施工中，土建结构的静力学分析要解决以下问题：（1）荷载作用：考虑到风能发电机组所受到的外部荷载，包括风载荷载和重力荷载等。
通过准确估计荷载的大小和作用位置，我们可以对土建结构进行静力学分析。
（2）基础设计：土建结构的基础具有承载风能发电机组的重要作用。
通过静力学分析，我们可以确定土建结构的基础形式、尺寸和设计参数。
（3）抗倾覆稳定性：土建结构在受到侧向风载作用时，需要具备一定的抗倾覆稳定性。
通过静力学分析，我们可以评估土建结构在不同风荷载下的抗倾覆稳定性。
4. 分析方法在风能发电机组设备安装施工中，我们可以采用有限元法进行土建结构静力学分析。
基于运行工况模拟的风电场理论发电能力评估方法
ｇｒ 为:
ｎ ｇｒ
Ｔ
ｍａｘ
ｇｒ
＝
ｔ２
{ ｐ ａｖ
∑
∑
ｋ ( ｔ)
ｋ ＝ １ ｔ ＝ ｔ１
ｎｗ
－ ｐ ｋ ( ｔ) } × Δｔ
Ｓ( ｋ)
∑
ｋ ＝１
功率为{ ｐ ａｖ
ｋ ( ｔ) ꎬｔ ＝ ｔ１ꎬꎬｔ２ꎬｋ ＝ １ꎬ２ꎬꎬｎ ｇｆ } ꎬ则电
网故障受阻发电利用小时数 Ｔ ｍａｘ
精细化评估ꎬ科学开展风电场消纳效果评估ꎬ就显得
尤为重要ꎮ
风电场理论发电能力受风力资源特性、检修安
排、调峰限电、通道受阻等因素影响ꎬ目前尚缺乏考
虑上述原因对风电场发电利用小时数进行精细化分
析的方法ꎻ同时ꎬ量化限电、检修、故障、不良工况、线
路稳定极限、电网调峰等因素对风电场发电利用小
施ꎬ科学做好风电场消纳效果评估工作ꎮ
阻发电利用小时数 Ｔ ｍａｘ
ｒｅ 为:
Ｎ ｒｅ
Ｔ
ｍａｘ
ｒｅ
＝
选择与平均功率曲线最贴近的风机为样板风机ꎮ
２ ２ 风电场理论发电利用小时数的计算
ｔ２
Ｗ ｒｅ ( ｋ)
∑
ｋ ＝１
(７)
ｎｗ
Ｓ( ｋ)
∑
ｋ ＝１
检修停电受阻发电利用小时数占比 η ｒｅ 为:
η ｒｅ ＝
Ｔ ｍａｘ
ｒｅ
Ｔ ｍａｘ
ｔｈ
(８)
Ｗｔｈ ( ｄ ) ꎬ 该 日 第 ｋ 类 风 机 对 应 的 样 板 机 功 率 为
(２) 故障停电受阻发电利用小时数
( ｋ) ꎬ则有:
[ ｔ１ꎬｔ２] ꎬ采用时间为△ｔ ＝ １５ｍｉｎꎬ与 ｎ ｆａ 个停电风机
基于有限元分析的风电机组塔架结构正交试验设计
基于有限元分析的风电机组塔架结构正交试验设计顾岳飞【摘要】采用正交试验设计方法设计正交试验模型,利用ANSYS有限元分析软件对正交试验模型进行静强度、疲劳强度、模态和屈曲分析,通过使用极差分析法,分析塔架结构因素对各试验指标的影响.并绘制因素与指标趋势图,直观地显示试验指标随因素水平变化的趋势,为进一步试验指明方向.【期刊名称】《风能》【年(卷),期】2012(000)007【总页数】6页(P78-83)【关键词】风电机组;塔架;有限元分析;正交试验;极差分析【作者】顾岳飞【作者单位】上海交通大学,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TM6140 引言风电机组塔架受到多种载荷的共同作用，主要有塔架顶部受到的惯性力和重力载荷，风轮承受的空气动力载荷，自然风的作用载荷，机组起停时的冲击载荷，海上机组还受到波浪载荷。
基于塔架的特点及性能要求，在对塔架进行结构设计时，必须进行塔架的静强度分析、模态分析、稳定性分析和疲劳分析[1-3]。
塔架的结构由多种因素决定，不可能做大量的试验来研究。
通过有限元分析方法研究[4]，可以弥补试验数据的不足，可设计大量不同形式不同尺寸的塔架，来分析各种可能因素对塔架结构的影响，因此有较高的实用和参考价值[5]。
运用正交试验方法设计[6]，能够通过代表性很强的少数验，研究各个因素对试验指标的影响，探讨主要影响因素，给出最优的参数组合[7]。
为研究各种因素对塔架结构的影响，本文用正交试验设计方法设计了18组模型，采用ANSYS有限元软件建立有限元模型，分析影响塔架结构的主要因素。
1 正交试验设计1.1 试验指标和设计参数按照塔架的结构设计要求，需要进行静强度分析、模态分析、稳定性分析和疲劳分析。
因此，选取极限强度最大应力、模态一阶频率、屈曲安全系数和疲劳损伤值为正交试验的试验指标。
表1 正交试验因素水平表（单位：mm） A B C D E(顶部壁厚)1 Ф4700 Ф381558 42 18 2 Ф4800 Ф3915 60 44 20 3 Ф4600 Ф3715 56 40 16(塔底外径)(塔顶外径)(门段壁厚)(底部壁厚)影响塔架结构设计的因素比较多，本文主要考虑塔底外径A、塔顶外径B、门段壁厚C、底部壁厚D和顶部壁厚E 5个因素。
大型风力发电机组锥筒式钢塔架非线性静强度分析
大型风力发电机组锥筒式钢塔架非线性静强度分析王清;郭应征【摘要】运用有限元分析软件ANSYS10.0对风力发电机锥筒式钢塔架进行非线性静强度分析,得到了额定发电、切出风速和极限风速工况下塔架的应力和位移,对三种工况下钢塔架的受力分析进行了比较,所得结论具有工程参考价值.【期刊名称】《工程与试验》【年(卷),期】2010(050)003【总页数】3页(P17-18,45)【关键词】风力发电机;钢塔架;有限元;非线性;静强度【作者】王清;郭应征【作者单位】东南大学土木工程学院,江苏,南京,210096;东南大学土木工程学院,江苏,南京,210096【正文语种】中文【中图分类】TM3151 引言风力发电机是将风能转换为电能的动力机械,利用的是自然能源。
风力发电广泛应用于乡村供电、野外住宅或企业、街道照明、电信基站、监控站、离崖平台供电等。
风力发电机组的研究,涉及到空气动力学、计算机自动控制、土木工程,以及机械设计、制造等多个学科领域。
塔架是风力发电机组的重要构件,除塔筒外还有平台、爬梯、门洞、法兰等附属设备。
为了便于对塔架进行力学分析,需要将塔架结构进行适当的简化,忽略其附属设备的影响,在保证满足工程精度的前提下减少计算量。
本文首先运用有限元软件ANSYS10.0对塔架建立有限元模型,并在三种工况下对塔架模型的受力进行非线性静强度分析,得到了影响塔架结构计算的重要因素。
2 塔架静强度有限元分析2.1 有限元模型风力发电机组塔架的实际结构形式多为锥筒式钢塔架[1],塔架高为 67.8 m,顶部外径为 2.6 m,底部外径为3.8 m,钢筒厚度为22 mm。
考虑模型的非线性,有限元模型采用三维实体模型。
为了简化计算,可将塔架视为悬臂梁,如图1所示。
图中外部荷载施加在塔架顶部,距离基础的高度为H。
2.2 塔架材料属性塔架材料为Q235钢,其材料的弹性模量E为206×103MPa,泊松比为0.3,材料密度ρ为7.850×103kg/m3。
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［1］李华明. 基于有限元法的风力发电机组塔架优化设计与 分析［D］.新疆农业大学硕士学位论文,2004:4- 9.
［2］王峰,陈棋,余国城.大型风力发电机组塔架刚度的研究［J］. 新能源及工艺,2005,8（6）38- 40.
［3］金 鑫 ，杜 静 ，何 玉 林 , 等 . 仿 真 技 术 在 风 力 机 总 体 性 能 分 析 中的应用［J］.系统仿真学报,2007,19（12）:2823- 2830.
（2）风力发电机塔架作为一种特殊的高耸 钢结构形式, 要确保风力机的正常运行, 塔架许 用挠度[f]控制在塔架总高度 H 的 0.5%~0.8%范 围内较为合适[2]。依据位移图，可以判定塔架顶 端的最大位移量 f=0.48m<[f]，满足刚度要求。
（3）不同高度处塔架的筒径、厚度和外载荷 不同，造成塔架随高度而变化的强度分布，依据 应力分布情况，可适当减小塔顶的尺寸，以达到 节约成本的目的。
低，过滤能力逐渐减弱。当翅片间隙内的杂质塞
更换过滤器和冷却器前: 空压机空气用电 单耗为 0.09412 kW·h/m3；
更换过滤器和冷却器后: 空压机空气用电 单耗为 0.08903 kW·h/m3；
如果考虑每年 15d 的检修时间，压缩机满 负荷运行 350d，每年在用电上可节约资金：电耗
堵达到一定程度时，冷却器的换热效果受到很 大影响，流通阻力增加。这种情况下，即使在进 口过滤器过滤效果很好，进口空气含尘量比较 少的情况下，积存在翅片间隙内的一些杂质也 会被空气冲刷而释放出来，积存到叶轮上，使叶 轮积灰，从而影响转子动平衡。此时，最好的解
5 冷却器和过滤器成功改造的思考
增加冷却器使用成本，对此应提前采取应对措
施。
（1）3 个被换下的旧冷却器芯子经过清洗
（5）在定期检修时，用压力空气和压力清洁
修复后，可作为我公司两套 DH90 压缩机的离 水冲刷冷却器芯子，对空压机进、排气管道及中
线检修备件循环使用。这样可大幅降低冷却器 间冷却器内壁定期进行除锈、防腐都是必要的
由梯度风引起的俯仰力矩为
MF2
=
8 27
ρ 3
32 2
πR（V1 -V2）
（7）
沿塔架高度方向风压大小分布为
Байду номын сангаас
ωP
=
1 2
2
ρV
（8）
模拟的风力额定风速 V＝12m/s，风轮直径
D=77m，扫略面积 S＝4657m2，将 V、S 和 D 代入
式（1）～（8）求解风力机塔架在正常工作时的受
力情况[5- 7]。
依据。
关键词：水平轴风力发电机；塔架；有限元；静态
分析
中图分类号：TK83
文献标识码：B
文章编号：1006- 8155（2009）04- 0042- 04
Static Analysis of the Tower for Horizontal
Wind Turbine Based on Finite Element
— 43 —
2009 年第4期
设计计算
（2）该尺寸塔架最大应力出现在底端，主要
是塔架底端受到的弯矩最大所致。依据空心圆
截面抗弯模量计算公式
3
WZ
=
πD 32
4
（1-α ），α=
d D
式中 d 为截面内径，m；为截面外径，m。
σmax =
M WZ
8
=1.67×10 <
[σ]
塔架满足强度要求[1]。
（3）从应力云图 5 和图 7 中可以发现，机组
决办法就是对冷却器芯子进行彻底清理。 （4）压缩机冷却器芯子如果长时间使用，翅
片间隙内杂质不能有效清除，并且感觉空气冲 刷可能使通过冷却器的空气中杂质含量高于空 气进口过滤器的过滤效果，就要考虑是否对冷 却器芯子进行离线清理。
翅片积灰离线清理，在许多情况下采用的 是化学方法清理。这种做法清理效果比较好，但 对冷却器芯子的使用寿命会造成一些负面影 响，一般一个芯子化学清理 3 次左右，在芯子一 些薄弱环节产生泄漏的可能性就会增加，这会
运行时，塔架上应力分布并不是均匀一致的，而
是随着高度的不同其应力状况有所变化，这主
要是因为不同高度处塔架的筒径、厚度和外载
荷不同，造成塔架随高度而变化的强度分布，并
且迎风和背风两侧受到的弯曲应力较大。
（4）整个塔身上最大应力值为
8
σmax =1.67×10 Pa，可以考虑将其强度适当降
低，以减轻塔架的质量。
合计
费用 / 万元 16
97.74 16 8
137.74
备注
3 个冷却器芯 子在修复后可 以作为备件
应该成为一个检修的常规项目。 冷却器刚开始使用时，翅片间隙会积存部
分杂质，起到过滤器的作用，这时换热效果也最 好。随着时间的推移，翅片间隙内杂质逐渐增 多，容存杂质的能力逐渐减弱。换热效果逐渐降
电耗降低产生的经济效益核算。
element; static analysis
0 引言
在风力发电机的运行中，塔架是决定其长 周期安全、可靠运行的关键因素之一，塔架作为 风力发电机组的主要承重结构, 尤其是大型风 力发电机组，其高度一般都在数十米以上。当风 力机运行时, 作用在塔顶的轴向压力会产生对
塔架各截面的弯矩，当外载荷达到一定值时，弯 矩的增大会导致塔架某一截面超出其屈服极 限，局部失稳，使得塔架破坏。对于直驱式风力 发电机组，由于其塔顶上方风轮和机舱的质心 位于塔壁以外，由此产生的弯矩对塔架造成的 影 响 更 加 突 出 ；另 外 ，塔 架 顶 端 产 生 过 大 的 位 移 (挠 度 ), 引 起 机 组 的 激 烈 振 动 , 最 终 导 致 机 组 不 能 正 常 运 行 ，也 是 影 响 整 机 正 常 工 作 的 因 素 之一[1]。
间,我国陆上一般取 α=0.146 经查证已有气象资
料可知,在风能资源丰富的甘肃省西北部,一般
取 α=0.156[4]。
沿塔架高度方向压力大小为
FY=G1+G2
（5）
式中 G1 为风轮重力，N；G2 为机舱重力，N。
由风轮和机舱引起的俯仰力矩为
MF1=（G2-G1）×h
（6）
式中 h 为偏心距离，m。
［4］张玉良,程兆雪,杨从新,等.风力机风轮设计中风速的处理 ［J］. 沈阳工业大学学报,2006,12（28）：687- 689.
（下转第 70 页）
2009 年第4期
使用维护
表 4 空气过滤器和气体冷却器改造中产生的费用情况
有鉴于此，冷却器更换或翅片间杂质清洗
项目
空气过滤器
气体冷 却器
3 个冷却器芯子 喷砂、防腐 耐高温防锈漆
ELEMENTS
MAY 3 2008 22:22:04
tower modal 图 1 塔架的有限元模型
2.3 加载和求解 除了与模型无关的惯性载荷外，用户能将
载荷施加在几何模型（如关键点、线、面或体）或 有限元模型（如节点、单元）上。用户还可以通过 表格类型的数组参数施加边界条件或通过定义 函数施加边界条件。对风力机塔架而言，塔架底 端自由度为 0，并且在塔架顶端形成刚性区域， 施加风载荷力，然后进入求解器进行求解[8- 10]。 2.4 观察结果和后处理
静力分析是计算在固定不变的载荷作用下 结构的响应，它不考虑惯性和阻尼的影响，也不 考虑载荷随时间的变化。但是静力分析可以计 算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响 （如 重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力 作用的随时间变化的载荷 （如通常在许多建筑 规范中所定义的等价静力风载荷和地震载荷）, 静力分析可以是线性的也可以是非线性的。非线 性静力分析包括所有的非线性类型，如大变形、 塑性、蠕变、应力刚化、接触（间隙）单元等[2- 3]。
Meanwhile, the stress and displacement status of
tower are accurately calculated under the condition
of limited load and the tower can meet the
requirements of strength and stiffness at the same
2.2 塔架的几何建模及网格划分
Ansys 静力分析过程一般包括建立模型、设
置求解控制器、设置其他选项、施加载荷、求解
和检查结果 6 个最基本的步骤，而建立正确的
有限元模型是整个前处理过程中最关键的一
步，进入前处理器 /PREP7 以后，定义单元类型、
材料性质及单元实常数等，采用自由网格划分，
其建立的有限元模型见图 1。
前后差值（0.09412－0.08903）kW/m3×空气流量 78000N m3/h×24h/d×350d/a×0.44 元 /kW·h＝ 146 万元。
（3）在对冷却器改造后，通过 103d 的运行 情况看出：空压机轴振动平稳，运行良好，尤其 是夏季高温季节不用停车对转子清灰做动平 衡。较好地解决了空压机因进口空气含尘量高、 冷却器芯子翅片残留积灰和冷却器锈蚀等原因 造成的空压机轴振动高问题，延长了压缩机的 运行周期。
1 塔架的受力计算
风力机塔架在运行的过程中，其主要的受
力计算为
轴向推力：FT
=
4 9
22
ρπR V
（1）
式 中 ρ 为 空 气 的 密 度 ，kg/m3；R 为 风 轮 直
径，mm；V 为风力机的额定风速，m/s。
脉动力：FM
=
1 9
×
ρ 3
2
2
πR（V1 -V2）
（2）
式中 V1 为风轮顶部风速，m/s；V2 为风轮底
部风速，m/s。