北理工结构设计大赛计算书-风力发电塔架结构
风力发电塔架
按照《混凝土结构设计规范》沿周边均匀配置纵向钢筋 的环形截面偏心受压构件，其正截面受压承载力按下式计算：
N 1fc A p0Ap t f py p0 Ap t f y As
sin sin M 1f c Ar1 r2 f py A p rp 2
图2 预制板
图3 预制板间的连接构造
图4 混凝土塔与钢塔 连接部位构造
（二）、整体式预应力混凝土塔架考虑应变率影响的分 析和设计 1.风力发电机的参数和塔架几何尺寸 1.1 塔架几何尺寸如表2所示
表2 塔架类型 塔架高度（H） 轮毂中心高度 塔底外径 塔底壁厚 塔顶外径 高塔 120m 121.8m 6.4m 0.3m 3.2m
垳架式钢结构塔架
格构式钢结构塔架
锥筒式钢塔架、混凝土塔架
圆筒式钢塔架、混凝土塔架
钢－预应力混凝土混合塔架
二、为什么需预应力混凝土塔架：随着风力发电向单机大容量 发展，使塔架高度越来越大，体积增大，运输困难，所以出现 了预应力混凝土塔架。 预应力混凝土塔架的优点是： 耐疲劳、抗腐蚀能力强、耐久性好、维修费用低、节约钢材、 造价低、稳定性好、现场施工方便。 （1）施加预应力扩大了结构的弹性范围，调整了结构中的内 力分布，较小结构变形； （2）相对于钢-混凝土组合结构而言，使用预应力技术可以有 效地利用高强钢材，减轻结构自重，工程实践证明可节约钢材 10%~30%； （3）增强应力幅值，降低结构的抗疲劳能力，由于施加了预 应力，降低了混凝土截面的最大拉应力，有效应力幅值的降低 增强了结构的疲劳使用寿命；
Fx 0.4Cp R 2 V2
(2)转矩 M x计算如下式 Mx 9550P n
(3)偏转力矩 M y可按下式计算
风力发电机组的结构及组成
4 玻璃钢叶片的优点
可充分根据叶片的受力特点设计强度和刚度 容易成型，易于达到最大气动效果的翼型 优良的动力性能和较长的使用寿命 维修简便，以节省大量人力物力 耐腐蚀性和耐气候性好 易于修补
20
3.2.2 轮毂
轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置。它 将风轮的力和力矩传递到主传动机构中
• 轮毂是用铸钢或钢板焊接而成。铸钢在加工前 要对其进行探伤，绝不允许有夹渣，缩孔，砂 眼，裂纹等缺陷。焊接的轮毂，其焊缝必须经 过超声波检查，并按浆叶可能承受的最大离心 力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变 应力引起的焊缝疲劳
叶片的主要材料特性
纤维增强复合材料 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 玻璃钢复合材料
3 玻璃钢叶片
用于叶片制造的材料一般有木材、金属，如 钢和铝，以及玻璃钢。由于叶片的木材一般要选 用优质木材，如桦木、核桃木等，材料来源困难、 取材率低、造价高、维修不便。钢金属材料制造， 又存在加工复杂、工艺装备多、生产周期长、产 品不耐腐蚀等一系列问题。因此，目前在国内已 很少选用木材或金属制造叶片，大多数采用玻璃 钢。
轮箱；7－刹车机构；8－联轴器；9－发电机；10－散热器；11－冷却风扇 ；12－风速仪和风向标；13－控制系统；14－液压系统；15－偏航驱动； 16－偏航轴承；17－机舱盖；18－塔架；19、变桨距部分
3.2.1 风轮及其组成
叶片
风轮 轮毂
风轮 轴
风轮的组成图
风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别 于其它动力机的主要标志。风轮的作用是捕捉和 吸收风能。并将风能转变成机械能。再由风轮轴 将能量送给传动装置以水平轴升力型风力机的风 轮为例(下图)来说明风轮功率的计算。
第三讲 风力发电机组的结构及组成
风力发电机结构介绍
绍结机构介风力发电风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电该机组通过风力推动叶轮旋转，塔架和基础等组成。
机、控制与安全系统、机舱、有效的将风能转再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，化成电能。
风力发电机组结构示意图如下。
1、叶片2、变浆轴承3、主轴4、机舱吊5、齿轮箱6、高速轴制动器7、发电机8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统各主要组成部分功能简述如下（1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。
叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。
由叶片、轮毂、变桨系统组成。
每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。
叶片配备雷电保护系统。
风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。
（2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。
（3）齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。
发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。
明阳）发电机4（．1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。
转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。
（5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。
同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。
（6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。
轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。
轮箱转速比：）发电机：（41550kw 发电机额定功率：发电机额定电压：690v发电机额定电流：1120A发电机额定频率：50Hz发电机转速：1750rpm发电机冷却方式：空-空冷却发电机绝缘等级：H级主刹车系统：变浆制动。
风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述
风力发电机组是将 风能转化为电能的
装置
按其容量划分
按其主轴与地面 的相对位置
小型（10KW以下)
中型（10~100KW)
大型（100KW以上）
）
水平轴风力发电机组 （主轴与地面平行）
垂直轴风力发电机组 （主轴与地面垂直）
小型及大型风力发电机组
水平轴及垂直轴风力发电机组
3.2 水平轴风力发电机组的结构
径向
力
受力
力
形式
弯矩
转矩
风机每经历一次起动和停机，主轴所受的各种 力，都将经历一次循环
因此会产生循环疲劳
主轴有较高的综合机械性
3.3 齿轮箱
齿轮箱是风力发电机组关键零部件之一。由于 风力机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下， 为了实现风力机和发电机的匹配，采用增速齿轮箱。
齿轮箱的分类
按传统类型 按传动的级数
塔架的功能是支撑位于空中的风力发电系统塔架与基础相连接承受风力发电系统运行引起的各种载荷同时传递这些载荷到基础使整个风力发电机组能稳定可靠地运行
第三讲 风力发电机组的结构及组成
3.1 风力发电机组概述 3.2 水平轴风力发电机组结构组成 3.3 齿轮箱 3.4 调速装置 3.5 发电机 3.6 塔架 3.7 控制系统及附属部件
3.2.1.1 叶片及叶片材料
叶片是风力机的关键部件，其良好的设计、可靠的质 量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素
叶片材料经历了木制叶片
布蒙皮叶片 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
铝合金叶片 复合材料叶片 新型复合材料叶片。
3.2.1.1 叶片发展趋势
风力机风轮叶片向大功率、长叶片方向发展
风力机风轮叶片不断的更新设计，以有好的气动性能
首都大学生结构设计竞赛参赛手册
北京理工大学第四届结构设计竞赛章程一、宗旨北京理工大学结构设计竞赛通过对知识综合应用能力、创新意识和团队协作精神的考验，引导大学生理论联系实践，健全大学教育面向未来的教学体系，培养新一代工程师的综合素质。
希望经过我们的共同努力，将结构大赛办成我校一项有较大影响力的学生课外科技活动，使之成为我校学生课外科技活动的一道靓丽的风景线。
二、题目承受周期运动载荷的两层框架结构模型设计与制作三、参赛对象我校在校本科生和研究生。
四、参赛要求1．组队要求由三人组队参赛，每人只允许参加一个参赛队，各队独立设计、制作。
2．报名各参赛队必须在规定时间内向组委会报名（报名方式见通知），经资格审查合格进行备案后，即可参赛。
3．模型制作材料本次比赛模型制作材料为桐木和白乳胶，由组委会提供。
各参赛队使用的材料仅限于组委会提供的材料。
允许选手对所给材料进行加工、组合。
如模型中采用的材料违反上述规定，一经查实，将取消参赛资格。
组委会提供桐木材料的力学性能实验数据以供参考，同时组委会也鼓励选手自行测定材料的力学性能。
4．参赛资格参赛选手，首先需确定设计方案，并根据竞赛要求编写结构设计计算书。
在规定的时间、地点（另行通知）上交组委会。
经组委会审议，设计方案与结构设计计算书合格者，获得参赛资格；不合格者，取消参赛资格。
5．领取材料获取参赛资格的选手在规定的地点和时间内（另行通知）领取材料。
6．作品（1）作品应力求有创造性，贴近实际、结构设计合理、制作精巧。
（2）每个参赛队只能提交一份作品，且应保证作品完整。
（3）完整的作品包括以下部分：a. 设计方案：包括整体结构形式；横梁、立柱横截面尺寸；结点以及支座处的连接方式等。
画出结构图，主要构件、结点详图及材料表。
b. 结构设计计算书：包括计算简图、荷载分析、内力分析、材料许可应力的确定、结构（横梁、立柱）承载能力估算。
c. 两层框架结构模型(实物)：要求模型制作符合设计要求并与计算书一致。
【2024版】塔架计算书
可编辑修改精选全文完整版塔架计算书一、主要要求：1、型钢格构式塔架，自立式铁塔。
2、上层标高16.0m，自重120Kg，水平后座力4.12kN。
下层标高13.5m，自重120Kg，水平后座力2.2kN。
3、南京大厂镇江边。
二、设计概况：1、抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组.2、基本风压0.4kN/㎡，地面粗糙度为A类(空旷地带)，工程的安全等级为一级(参照《高耸结构设计规范》设计)。
3、按照《高耸规范》第3.4.2条，本塔架结构不必进行构件截面的抗震验算，仅需满足抗震构造要求。
4、荷载的组合，按《高耸规范》第2.0.5条，取用下式：1.2G+1.4W+1.4×0.7L式中，G为自重等永久荷载W为风荷载L为活荷载5、考虑到平时检修使用时人员的上下，采用大型角钢格构式塔架，尺寸如下：三、塔架构件选择说明：1、满足大型格构式柱的构造要求：斜缀条与水平缀条的夹角宜在40°~70°内，水平缀条不小于L63×5，斜缀条不小于L75×6。
2、节点板的厚度由构造决定，选用10mm厚钢板，焊脚尺寸取8mm。
3、除塔架柱脚处的水平缀条连在柱分肢的外侧，其他所有缀条。
包括斜缀条和水平缀条均连在柱分肢的内侧，塔身外表平整，便于运输；根据业主要求，塔架用螺栓连接。
4、塔架可以在工厂分段制作，现场进行拼接。
5、格构式柱（塔架）采用分离式柱脚，柱脚底板由计算确定，且应不小于20mm厚；锚栓直径亦由计算确定，且应不小于20mm，孔径为螺栓直径的1.5倍，垫板孔径比螺栓大2mm。
四、风荷载的计算：按《高耸规范》执行。
W=βZμSμZμrω0式中：ω0=1.1× 0.4=0.44kN/㎡(1.1为工程重要性一级要求，0.4为南京的基本风压)βZ为风振系数：根据荷载规范GB50009-2001附录E，高耸结构的基本自振周期T1=(0.007~0.013)H，本工程为钢结构，取T1=0.013× 16.0=0.208sec;另根据《高耸规范》第3.2.7条，T1<0.25sec时不考虑风振影响，即βZ=1.0μS为风荷载体型系数，取2.6(偏于安全取规范的高值)μZ为风压高度变化系数，按高度16m的取值为1.52μr为风荷载重现期调整系数，为1.2W =1.0×2.6×1.52×1.2×0.44=2.09kN/㎡fA=3757平方毫米W xmin=68744(mm)3I x=6888100(mm)4I x0=10935600(mm)4I y0=2840600(mm)3W x0=110466(mm)3W y0=50467(mm)3I x =42.8mm I x0=54mm I y0=27.5mm Z 0=39.8mm G=29.492Kg/m角钢L100×10：肢宽L=100mm ，肢厚t f =14mmA=1926.1(mm)2W xmin =25060(mm)3I x =1795100(mm)4I x0=2846800(mm)4I y0=743500(mm)3W x0=4260(mm)3W y0=18540(mm)3I x =305mm I x0=384mm I y0=196mm Z 0=28.4mm G=15.12Kg/m六、计算格构式柱的柱身1500mm 高的材料重量及总重：分肢角钢：L140×14， 29.492×1.6×4=188.8 Kg L100×10水平角钢：15.12×1.6×4=96.8 Kg L100×10斜向角钢：15.12×1.8×4=108.9 Kg 节点板：0.3×0.6×0.01×7800×4=56.2 Kg 合计：188.8+96.8+108.9+56.2=450.7 Kg考虑计入爬梯及附属设备等，1600mm 高柱重取1.1×450.7=495.77 Kg 柱全高重：495.77×10(节)=4957.7Kg=49.58 kN七、求塔架内力：控制截面在塔底风荷载沿高度的线载=1.60×2.09=3.344 kN/m塔底轴力设计值： N=49.58×1.2=59.50kN弯矩设计值：M=1/2×3.344(风)×16.02×1.4+(4.12×16.0+2.2×13.5)(后座力)×1.4×0.7=599.2+93.7=692.9 kN ·m 剪力设计值：V=3.344×16.0×1.4+(4.12+2.2)×1.4×0.7=74.91+6.2=81.1 kN查规范〈〈钢结构设计规范〉〉知，格构式柱的轴心受压构件的截面分类为b类。
风力发电机塔架结构模型设计与制作.
风力发电塔架结构 模型设计与制作
（廖力）
§1. 风力发电塔架 §2. 设计方案的制定 §3. 计算书 §4. 塔架模型结构的计算简介
制作由汪老师介绍
§1. 风力发电塔架
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越 受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风 能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为 2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量 还要大10倍。
进 入 有 21 了 世 长 纪， 足 我 的 国 发 风 展。 力 发 电
风力发电机组， 大体上可分转叶 (包括尾舵)、发 电机和塔架三部 分。
塔架是支承转叶、 尾舵和发电机的结 构。它一般修建得 比较高，为的是获 得较大的和较均匀 的风力，又要有足 够的强度。塔架高 度视地面障碍物对 风速影响的情况， 以及转叶的直径大 小而定，一般在620米范围内。
初步设计：
结构计算 修改设计
§2. 设计方案的制定
4、材料表包括：各种截面形式的材料数 量，以及估算的模型重量。 （竹材每立方厘米重约为0.9克）
例：2号杆 截面4mm×6mm 长度200mm 根数4
2
§3. 计算书
“结构设计竞赛”，强调的是设计，而 不仅仅是动手能力的比赛。 计算书是结构计算、结构设计的依据， 通过对主要受力构件的计算，得出结构的 承载力和刚度，解决好材料的用量与安全 性间的矛盾。
F1 F2
示意图
风机型号与参数 生产厂家：北京兴华通风设备有限公司 名称：GXF-B型高效低噪斜流风机 型号：6-B 转速：1450r/min 风量：11835m3/h 全压：556Pa 功率：3kW 重量：114kg 间距：1m。
§4.塔架模型结构计算简介
塔架的认知与计算构造
1．塔架1.1. 概述塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。
其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加，愈来愈明显。
在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的15％左右，由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。
由于近年来风力发电机组容量已达到5MW，风轮直径达126米，塔架高度达100米。
在德国，风力发电机组塔架设计必须经过建筑部门的批准和安全证明。
1.2. 塔架的结构与类型塔架主要分为桁架型和圆筒型。
桁架型的塔架如图16示。
桁架型塔架在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点为不美观，通向塔顶的上下梯子不好安排，上下时安全性差。
图16 桁架型的塔架圆筒型塔架如图17示。
在当前风力发电机组中大量采用，其优点是美观大方，上下塔架安全可靠。
图17 圆筒型塔架以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。
钢筋混凝土塔架在早期风力发电机组中大量被应用，如我国福建平漂55kW 风力发电机组（1980年）、丹麦Tvid 2MW风力发电机组（1980年），后来由于风力发电机组大批量生产，从批量生产的需要而被钢结构塔架所取代。
近年随着风力发电机组容量的增加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。
1.3. 塔架的设计与计算塔架的主要功能是支承风力发电机的机械部件，发电系统（重力负荷），承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等。
塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。
塔架自振频率高于运行频率的塔称之为钢塔，低于运行频率的塔称之为柔塔。
(1). 塔架静强度的载荷条件A.横吹——风速为65米/秒（2秒平均）风轮不转动，叶片垂直向下，风向是横向吹在机舱上。
风力发电机基塔设计算例
风力发电机塔基设计算例Tjjg1设计概况风机塔的结构形式主要有钢、混凝土、预应力混凝土、钢/混凝土混合结构。
为了对比采用不同结构体系风力发电机塔的经济技术指标，对装机容量为3.6MW、风机轴线高100m的钢管及预应力钢筋混凝土两种结构形式分别进行设计。
其中钢塔的材料分别考虑Q235和Q390两种情况，混凝土塔采用C60。
风力发电机设备荷载取自LWST PhaseⅠProject Conceptual Design Study及WindPACT公开发布的研究报告。
风力发电机塔的结构设计依据中华人民共和国颁布的现行设计规范及标准，主要包括：建筑地基基础设计规范（GB50007－2002）、混凝土结构设计规范（GB50010－2002）、建筑抗震设计规范（GB50011－2001）、钢结构设计规范（GB50017－2003）、建筑结构荷载规范（GB50009－2001）。
两类钢塔（tower1、tower2）及预应力混凝土塔（tower3）的主要技术指标见表1。
其中钢塔的设计控制荷载是风荷载组合，混凝土塔的设计控制荷载为地震效应组合。
表 12钢塔设计钢塔的设计主要包括截面初选、模态分析、内力计算、截面验算、屈曲分析、疲劳验算等步骤。
主要荷载包括结构自重、风力发电机组荷载、风荷载、地震荷载。
机组拟建上海地区，抗震设防烈度为7度，基本风压设计值0.55kN/m2。
而且与混凝土结构相比钢结构自重较小，所以结构承载力极限状态设计时起控制作用的是风荷载。
由于缺乏可信的组合系数，所以不考虑风机荷载的效应的组合，将其与地震作用、风荷载效应分别直接组合确定最不利设计内力。
2.1设计荷载风机塔在使用过程中的设计荷载包括结构自重、风机荷载、风荷载、地震作用。
不考虑温度作用的影响。
2.1.1 结构自重根据钢结构设计规范（GB50017－2003）本设计钢材密度取ρ＝7800kg/m3，弹性模量Es＝200×109 N/m2，Q235设计强度取205MPa、Q390设计强度取335MPa。
结构设计方案与计算书
结构设计方案与计算书承受静载和冲击载荷的高压输电塔架结构模型设计与制作一、设计方案根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度等方面出发，采用组委会提供的桐木作为结构的原材料，乳胶作为粘接剂，精心设计制作了该高压输电塔架的结构模型。
（1）结构体系采用三角形的稳定结构，采用各种简支梁的结合和支撑，4根主干承担主要的竖向载荷和侧向弯曲，其他杆件承担结构的整体受压（拉），受剪和受弯，使整体的结构更加稳定使用。
（2）连接方式各个杆件之间采用刚性连接（乳胶胶结）。
（3）节点设计为了塔架的稳定性，各个节点采用乳胶胶结，保证杆件之间的连接，提高节点处的强度。
（4）制作处理（5）设计假定❶桐木材质连续均匀；❷各杆件之间的连接均为刚性连接；❸加载时，载荷以集中力和均布载荷的形式作用在指定的位置和单元上；❹杆件计算时采用钢结构的计算模式；根据以上假定，通过材料力学和理论力学的相关知识建立计算简化模型，以求得杆件的内力及其位移作为制作的理论依据。
二、方案图（结构设计立体图）（主视图）（侧视图）(尺寸单位：mm)三、计算书1.结构选型采用框架结构形式。
输电塔结构中以顶部延伸杆悬臂凸起处及四根支柱为主受力区，局部采用斜梁措施加强。
结构主要解决材料抗弯和抗压的问题。
通过对支撑点的选择以及节点处的支撑，结构可以做到自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大。
2.载荷分析根据比赛的加载规则，考虑最不利情况取载荷作用时最危险截面进行分析。
分别取静态载荷及冲击载荷下结构的最大位移处为最危险的情况。
另外，由于加载时的不均匀性和制作过程中不利因素的影响，在制作过程中会适当的采取加强构件的措施，计算时不予考虑。
3.材料性能根据大赛组委会提供的实验图，我们可以求出材料的各项力学性能。
横截面积：A16 mm×6 mm，A24 mm×6 mm，A33 mm×4 mm，A42 mm×4 mm，四种不同的截面。
北京理工大学第六届结构设计竞赛细则
北京理工大学第六届结构设计竞赛细则一、竞赛简介结构设计竞赛旨在通过对知识的综合应用和团队的共同协作过程，理论联系实践，突出创新精神，健全面向未来的教学体系，培养当代工程师的基本素质。
希望经过我们的共同努力，提高学生的科学素养、科研技能水平，促进我校学生学术活动的开展，增强学生间科技交流，从而进一步提高本科生培养和教学质量。
二、题目承受静载和冲击载荷的高压输电塔架结构模型设计三、作品要求首先声明：本次竞赛着重于想象力和创造力的发挥，重在设计和动手能力，而非手工制作比赛，因此要求：1．作品应力求有创造性，贴近实际、结构合理、制作精巧。
2．每个参赛队仅能提交一份作品，且应保证作品完整。
3．完整的作品包括以下部分：（1）设计方案：结构图若干，包括主要构件、结点详图及材料表（耗材规格、数量，及总重量）。
（2）结构设计计算书：包括结构选型、计算简图、荷载分析、内力分析、承载能力估算。
（3）塔架结构模型(实物)：要求模型制作符合设计制作要求并与计算书一致。
如修改模型，要求同时修改计算书。
作品由各参赛队命名．塔架名须健康向上，突出特点。
四、制作材料本届大赛的模型制作材料定为桐木、速干白乳胶和细铁丝。
组委会提供材料：速干白乳胶一瓶，细铁丝1米，桐木材料均为1米长，横截面尺寸和数量如下：55 mm×1mm—2片，6 mm×6 mm—6根，4 mm×6 mm—8根，3 mm×4 mm —8根，2 mm×4 mm—8根。
组委会提供桐木材料的力学性能实验数据以供参考，同时组委会也鼓励选手自行测定材料的力学性能。
模型制作所用材料仅限于组委会所提供的材料。
允许对所给材料进行切割、加工、组合。
如模型中采用任何非组委会提供的材料，一经查实，将取消参赛资格。
五、结构模型本次比赛旨在设计并制作一个缩小版的输电塔架，如图1所示。
该模型要求以尽可能轻的重量来经受两项加载试验，并不发生毁坏或者局部破坏，同时应力求美观。
风力发电机的组成部件及其功用
风力发电机的组成部件及其功用风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。
风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。
下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。
图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。
图3-3-4 小型风力发电机示意图1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器图3-3-5 中大型风力发电机示意图1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。
1 风轮风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。
其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。
叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。
风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。
图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。
图3-3-6 风轮1.叶片2.叶柄3.轮毂4.风轮轴图3-3-7 叶片结构（a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面；(e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。
木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。
用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。
叶片的材质在不断的改进中。
1 机头座与回转体风力发电机塔架上端的部件——风轮、传动装置、对风装置、调速装置、发电机等组成了机头，机头与塔架的联结部件是机头座与回转体（参阅后面的图3-3-24）。
（1）机头座它用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件，它牢固如否将直接关系到风力机的安危与寿命。
风力发电塔架课程设计
风力发电塔架课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握风力发电塔架的基本原理、结构设计及其在新能源领域中的应用。
通过本课程的学习，学生将能够：1.描述风力发电塔架的基本结构及其功能；2.解释风力发电塔架的工作原理；3.分析风力发电塔架的设计要素；4.评估风力发电塔架在不同环境下的适用性；5.探讨风力发电塔架在未来新能源发展中的作用。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.风力发电塔架的基本概念：介绍风力发电塔架的定义、分类及其在新能源领域的重要性；2.风力发电塔架的结构设计：讲解风力发电塔架的主要组成部分，如塔架、叶片、机舱等，以及它们的设计原则和计算方法；3.风力发电塔架的工作原理：阐述风力发电塔架的发电原理，包括风能转换为电能的过程及相关物理概念；4.风力发电塔架的应用：介绍风力发电塔架在不同行业和领域的应用案例，如陆上风电、海上风电等；5.风力发电塔架的发展趋势：探讨风力发电塔架在未来新能源发展中的潜在价值和研究方向。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法相结合的方式，如：1.讲授法：教师通过讲解风力发电塔架的相关概念、原理和案例，引导学生掌握基本知识；2.讨论法：学生就风力发电塔架的设计、应用和发展趋势展开讨论，培养学生的思考和表达能力；3.案例分析法：分析实际案例，使学生更好地理解风力发电塔架在实际工程中的应用；4.实验法：安排学生进行风力发电塔架模型制作和实验，增强学生的动手能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将准备以下教学资源：1.教材：选择权威、实用的风力发电塔架相关教材，为学生提供系统的学习资料；2.参考书：推荐学生阅读相关领域的经典著作和最新研究论文，拓宽知识视野；3.多媒体资料：制作课件、演示文稿等多媒体资料，以图文并茂的形式展示风力发电塔架的相关知识；4.实验设备：准备风力发电塔架模型及其相关实验设备，便于学生进行实践操作。
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第八届结构设计大赛
武宇飞学号：1120133861
王琛学号：1120133784
张海鸣学号：1120133852
2015-4-17
目录
一、设计说明 (2)
1.方案构思 (2)
2.结构选型 (2)
二、方案设计 (5)
1.载荷分析 (5)
2.计算简图 (6)
3.耗材 (11)
一、设计说明
1.方案构思
本次比赛旨在设计并制作一个缩小版的风力发电塔架结构，该模型要求以尽可能轻的重量来经受一级静载、二级风载试验和三级风载试验，同时应力求美观。
经过讨论，由于底座四个孔的尺寸和塔架高度的限制，我们决定采用四根垂直于地面的立柱支承，因为三角形结构具有比较强的稳定性，我们考虑以三角形脚架结构来固定四根支柱以及侧面，这样不仅结构简单，同样也能达到最高强度。
2.结构选型
（1）支柱结构
支柱的横截面为一个边长为15*15的空心正方形，支柱的加工过程中将0.5mm竹皮按5mm*300mm、6mm*300mm、7mm*300mm…..的型号各切取四份，取一根长木条以为模板，在木条外围围一层保鲜膜，确保不会
粘胶，将切好的竹皮按顺序依次贴在模板外，一直到截面尺寸达到15*15，待胶水凝固后将模板取出。
（切割竹皮时5mm*300mm的竹皮和
6mm*300mm的竹皮纹路互相垂直）
（2）梁结构
梁主要承受来自网状结构的载荷，加工步骤同支柱的类似，在加工到截面尺寸为10*10mm时将网状结构固定在上端，再按（1）中步骤将剩
余结构加工到15mm*15mm。
（3）网状结构
依据本次大赛细则，小钢球自由落体下落到结构的承接面上，不能穿过或弹起而落到地面上，我们选择将上承接面设计为垂度2.5cm的下凹网
状结构。
网状结构的优点在于能够将中央部位所受冲击载荷较均匀地传递
到其他梁上，从而增大了结构整体的承载能力。
此外，网格规格设计为
2.5*2.5cm，保证了小钢球不会漏下，而采取2.5cm的垂度能起到缓冲作
用。
10*10m
10*10m
m
网状结
300*300
利用solidworks模拟的机构效果图：
二、方案设计
材料弹性模量1.0×104MPa ，抗拉强度60MPa 。
1.载荷分析
分析本次大赛对结构的两次检验要求，第二次大球下落实验对结构承接面刚度及支承柱强度的要求高于第一次小球下落实验，故我们计算2kg 大钢球自250mm 高度下落造成的冲击载荷。
已知mm d
50=δ，N mg P 6.19==
动荷系数：
st
st d d h K δδδ211+
+==，解得mm st 6
25
=δ 12=d K
得：
N P K P d d 2.235=⨯=
于是，可得大球下落造成的冲击载荷近似为235.2N 。
2.计算简图
（1）平面网状结构内力分析
网格结构中的交错横梁在小球冲击瞬间受力较复杂，可以将其简化为一个均匀弯曲面受力下垂模型，进而简化为杆件变形造成杆件的铰接点发生位移的模型。
该模型符合单向受力假定。
如图为冲击载荷作用下，承接面简化模型受力分析。
BAC 为简化后的杆结构。
AB AC l AB l AC ∆=∆=','
β
δcos 'AB
A l AA ∆=
=mm mm bh A 215⨯==
β
cos 2d
P F =
mm l 2225150+=MPa E 410=
mm EA l P EA Fl l d AB 3577.0cos 2===
∆β
A 点位移mm l AB
A 17.2cos =∆=
βδ,A 点位移很小，远小于50毫米，所以不
会超过最大挠度。
N P F d
715cos 2==
β
由图可知，A 处为危险截面，材料的抗拉强度为60MPa, A 点的应力状态为
MPa MPa A
F
608.23≤==
σ
,所以符合材料的力学性能。
由于所选结构还具有四根脚架（两根长脚架，两根短脚架）及第二层防护网，故可以保证承受载荷冲击。
（2）边框横梁内力分析
由（1）中的计算可知，承接面四边边框横梁受到斜向下的力作用，且力的方向过轴线。
将网状平面对四个横梁的力简化为四个力集中作用在横梁中间，考虑下支承面与两组脚架作用，F 近似等于178N ，水平作用，（竖直方向因为有斜梁支撑，所以力有抵消，暂时不考虑。
）横梁与下端立柱固结，如下图。
取一根横梁进行受力分析。
N F
178=z
z I y M W M max max max max
==σ
)(12
144
h b I z -=
, mm h mm b 5,10==
MPa
I y M z
85max
max max
==σ ⊕
因为结构是由多层竹皮胶合而成，并且有两层防护结构，故结构抗拉强度会提高，实际应力小于理论计算值，所以85MPa 在工程范围内符合要求。
MPa A
F s 78.12323_
max =⨯==τ
τ
利用SMsolver 求出结构位移变化：
（3）立柱内力分析
①立柱强度计算
平面网状对四个横梁的力对立柱的作用集中看做一个力F=357N 作用于立柱顶端，角度由平面网状受力分析得角度为9.44度。
危险截面和危险点在立柱底端，求最大应力
N
F 45=N F 3.44cos =αN F 4.7sin =α
z
z I y M W M max
max max max =
=
σ )(12
144
h b I z -=
MPa A
F s 886.02323_
max =⨯==τ
τ
MPa
MPa 6085max =≤=σσ
F
︒
=44.9α
所以强度要求符合。
利用SMsolver 模拟出的立柱弯矩图如下：
(Fn)
1.5N
(Fs)
②立柱稳定性计算
由公式
取2=μ，则临界载荷
所以立柱稳定。
3.耗材
材料表
竹材密度约为1.5g/cm ³.
依据耗材量，计算结构的质量约为398.68g （不考虑胶的质量）
p i
l
λμλ≥=
2
2)(l EI F cr μπ=
A
I i =
N
F N l EI F cr 6.58sin 1142)(2
2=≥==αμπ。