风力发电机塔架结构模型设计与制作

例如：ANSYS 等
示意图
§4.塔架模型结构计算简介
2、简化为平面结构
或用小型软件： SMSOLVER 立柱 F3
F4
腹杆
§4.塔架模型结构计算简介
3、简化的计算
叠加法
F1
F2
+
§4.塔架模型结构计算简介
3、简化的计算 1）只有F1作用 整个结构看成一 压杆（忽略腹杆）
y
F1
EI Fcr 2 ( l ) l p i
§3. 计算书
二、材料的力学性能 根据选用的材料及其实验资料 （具有离散性）确定材料的许用应 力，弹性模量，等。
竹皮最大应力 =60MPa，弹性 模量E=104MPa。 502胶水
§3. 计算书
三、主要承载构件的强度，刚度，稳定性 强度：根据主要承载构件的内力， 确定其危险截面，根据危险截面的应 力分布，确定危险点，根据危险点的 应力状态，确定构件的强度。 刚度：结构在载荷作用下，某些位置 和方向的位移或转角代表。 稳定性：轴向受压的杆，要考虑稳 定性。
F1 F2 +
3、简化的计算 不足之处： 腹杆的内力无法 计算。
F1 F2 +
对模型计算书要求
计算书在写作上，应该尽量作到，叙述清 楚、简明，有条理，能说明问题，作为技术档 案，是模型制作的依据，不仅要自己能看得懂， 也要别人能看得懂。图文并茂最好。切记：不 要将计算书搞成一堆数据的堆砌，自己不会去 看，别人更不会去看。
目前的风力发电机只是给电瓶充电，而 由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功 率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率 的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是 机头功率的大小。在内地，小的风力发电机 会比大的更合适。因为它更容易被小风量带 动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风 更能供给较大的能量。一台200W风力发电机 也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获 得500W甚至1000W乃至更大的功率输出。
早期的风能利用--风车 主要是通过风车来抽水、磨面等
人们感兴趣的是如何利用风来发电。上世 纪三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应 用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一 些小型风力发电装置。当时的发电量较低， 大都在5千瓦以下。
上世纪七十年代，风力发电发展很快。 1978年，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成 了200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米。 丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电 装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米。
关于小型软件：SMSOLVER 结构力学求解器的使用可参考以下网址中的 视频。 http://www.civil.edu.cn/sms/videos.htm
希望通过结构设计大赛使 同学们更好地掌握理论力学和 材料力学的理论与知识，培养 创新思维，增强动手能力。
祝同学们取得好的成绩！
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
1、空间结构
通用计算软件：
F1 F2
模型计算可以是比较精确的计算（对 结构的力学模型的简化较少），可以利用 计算软件计算。也可以通过简化，对主要 受力构件作比较粗略的计算。
§4.塔架模型结构计算简介
以桁架设计方案为例： 桁架的特点：均为拉压杆
受力均匀，能充分发挥材 料的作用。 机舱载荷：F1 风载荷：F2 北京地区基本风压： q=300N/m2
风力发电塔架结构 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。
§3. 计算书 计算书主要包括以下内容：
一、结构的计算简图 二、材料的力学性能 三、主要承载构件的强度，刚度，稳定性
§3. 计算书
一、计算简图（计算模型）： 结构的几何尺寸，约束的情况，载 荷的大小、方向及作用位置，载荷的计 算方法等，主要受力构件（如：立柱、 梁、板等）的横截面形状、尺寸，所使 用的材料等。
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。
压杆稳定：
临界载荷Fcr
大柔度（细长）压杆：
F
EI Fcr 2 ( l )
2
l p i
I A
P
E
F
i
小ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ度（短粗）压杆：Fcr=sA, 强度控制 中柔度压杆（略）
P
EI Fcr 2 ( l )
2
压杆两端约束的影响：
§4.塔架模型结构计算简介
凹槽
机舱模型底部 设 置 一 凹 槽 100mm×95mm ×5mm 底板上留有四个 直 径 为 8mm 的 贯穿孔洞
塔架结构示意图
底板
100 5
50
100
50
图2 机舱侧视图
8孔洞
92
92
图3 底板俯视图
§2. 设计方案的制定
1、根据使用要求，确定结构形式，和结 构布局。尽量采用对称布局。 2、根据使用载荷，粗略的估算主要构件 截面的尺寸，进行初步设计。 载荷：机舱重量、风载荷 3、绘制结构设计图 平面图、侧视图，结构几何尺寸，主要 构件截面几何尺寸。
§2. 设计方案的制定
1、根据使用要求，确定结构形式，和结 构布局。 模 型 塔 架 高 度 为 800mm ，平面尺寸不 大于100mm×100mm 机舱模型外形尺寸为 200mm×100mm×95mm ，重量预赛为 10kg, 决赛 为12kg 塔架结构示意图
§2. 设计方案的制定
1、根据使用要求，确定结构形式，和结 构布局。
2
x
压杆的横截面
I i A E P P
§4.塔架模型结构计算简介
3、简化的计算 2）只有F2作用
y
M 整个结构看成一 2aA1 悬臂梁（忽略腹杆）
x M
2A1 a 2A1
F2
梁的横截面
M 2A1a
3、简化的计算
将1 ）与2）立 柱的应力叠加
显然，高度不同， 立柱中的应力也 不同。 计算各段立柱的 轴向压力，可按 两端铰支考虑稳 定性。
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。