風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的動力機(jī)械,利用的是自然能源。風(fēng)力發(fā)電廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)村供電、野外住宅或企業(yè)、街道照明、電信基站、監(jiān)控站、離崖平臺供電等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究,涉及到空氣動力學(xué)、計算機(jī)自動控制、土木工程,以及機(jī)械設(shè)計、制造等多個學(xué)科領(lǐng)域。塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要構(gòu)件,除塔筒外還有平臺、爬梯、門洞、法蘭等附屬設(shè)備。為了便于對塔架進(jìn)行有限元分析,需要將塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕�,忽略其附屬設(shè)備的影響,在保證滿足工程精度的前提下減少計算量。
本文首先運用有限元軟件ANSYS對塔架建立有限元模型,并在三種工況下對塔架模型的受力進(jìn)行非線性靜強(qiáng)度分析,得到了影響塔架結(jié)構(gòu)計算的重要因素。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的實際結(jié)構(gòu)形式多為錐筒式鋼塔架,塔架高為67.8 m,頂部外徑為26m,底部外徑為3.8 m,鋼筒厚度為22 mm�?紤]模型的非線性,有限元模型采用三維實體模型。為了簡化計算,可將塔架視為懸臂梁,如圖所示。圖中外部荷載施加在塔架頂部,距離基礎(chǔ)的高度為H。塔架材料為Q235鋼,其材料的彈性模量E為206x e3MPa,泊松比為0.3,材料密度P為7.85xe3kg/m3。塔架坐標(biāo)系建立在塔架與機(jī)艙連接面處,用來描述塔架所承受的作用力。塔架主要承受空氣的氣動推力,葉輪質(zhì)量不平衡而引起的偏轉(zhuǎn)力,垂直力和轉(zhuǎn)矩、風(fēng)速分布不均勻而引起的俯仰力矩、重力引起的彎矩。塔架的受力分析見圖。
靜強(qiáng)度分析時將荷載簡化為靜載,施加在塔架頂部中心,如圖所示。由于塔架模型頂部平面中心沒有節(jié)點,施加的荷載無法傳遞到錐形筒,需建立等效的荷載傳遞方式。塔架頂部中心荷載見表。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架與基礎(chǔ)固連,在進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時,可以對塔底施加全約束,即約束塔底所有節(jié)點的全部自由度。塔架采用shell181單元進(jìn)行非線性有限元模擬,圖為塔架網(wǎng)格劃分后的模型,鋼材的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線按理想彈塑性模型選取。為了將荷載等效地施加到塔頂中心,本文的具體做法是:使用MPC184單元,在構(gòu)件中心部位建立一個節(jié)點,與其他受力節(jié)點分別形成多根剛性梁連接,從而形成剛性面。最后直接將荷載加到中心節(jié)點上,通過剛性梁來傳遞荷載,詳見圖。ANSYS非線性有限元分析結(jié)果顯示,在工況1、工況2、工況3作用下,塔架最大應(yīng)力都發(fā)生在塔底處,分別為23.313 MPa,33.608 MPa,15.703 MPa,沿高度方向各水平截面最大應(yīng)力由下至上逐漸減小。塔架在各種工況下的等效應(yīng)力云圖見圖。鋼塔架在各種工況下的位移見表。塔架在三種工況下,沿高度方向位移隨著高度的增加而增大,最大位移發(fā)生在塔架頂部,在工況1、工況2、工況3的荷載作用下,塔架最大位移分別為61.183 mm、81.538 mm、35.255 mm。
(1)分析計算結(jié)果表明,在三種工況下塔架的危險截面均為塔筒底部,因此在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架設(shè)計時,應(yīng)以塔筒底部最大應(yīng)力作為塔架強(qiáng)度計算的依據(jù)。(2)計算結(jié)果表明,在各種工況下,塔架最大位移均出現(xiàn)在塔筒頂端,因此應(yīng)將塔筒頂端的位移作為塔架剛度計算的依據(jù)。(3)在三種工況中,切出風(fēng)速工況對塔架的應(yīng)力與位移的影響最大,因此設(shè)計時要重點考慮切出風(fēng)速工況下的荷載對塔筒結(jié)構(gòu)的影響。(4)工況2的水平荷載Fx較工況1和工況3要大得多,因此,作用在塔架頂部,與塔筒軸線垂直,水平方向的風(fēng)荷載Fx是影響錐筒鋼塔架強(qiáng)度的主要因素。
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