大型内加劲风力机塔筒承载能力分析与优化研究

发布时间：2020-11-03 18:57

　　 风力机运行在复杂的自然环境中,塔筒作为风力发电机的主要支撑结构,除受到作用在筒壁上的空气动力荷载与塔身自重之外,还受到由风轮和机舱传递的重力、水平推力以及偏航力矩等,其力学特性直接影响到风力发电机的工作性能。本文主要采用有限元方法结合Isight软件对风力机塔筒进行稳定性和优化分析。风力机主要由叶轮、机舱和塔筒组成,各个组成部分的材料、设计及制造都有很大差异。对于风力机塔筒部分的设计,为了要满足刚度、强度和稳定性等要求,首先要计算塔筒所受的荷载。本文分析研究了风力机塔筒的荷载作用特点,利用GH-Bladed软件、简化公式和日本规范三种不同方法计算风力机塔筒的荷载,为塔筒的结构设计提供了参考依据。本文利用Abaqus软件结合Python语言建立风力机塔筒的有限元模型,对塔筒进行模态分析、线性屈曲分析和非线性屈曲分析。利用欧洲ENV1993-1-6规范和德国DIN18800-4规范验算多荷载联合作用下的风力机塔筒的稳定性,以确定塔筒的极限屈曲荷载,为塔筒的改进与加强提供依据。加劲薄壳结构具有更高的抗弯刚度和屈曲承载能力,因此在风力机塔筒内壁设置加劲肋,可以有效提高风力机塔筒承载能力。本文对比分析了常规塔筒和内加劲塔筒的稳定性,同时考虑了初始缺陷对塔筒稳定性的影响。研究表明,加劲肋可以提高塔筒的极限屈曲荷载,计算塔筒极限屈曲荷载必须考虑初始缺陷的影响。加劲肋的设置限制了塔筒的局部屈曲,改变了构件的破坏模式,提高了构件的延性和承载力。塔筒参数直径、各段厚度以及加劲肋的尺寸、布局直接影响了塔筒的造价和安全性能。本文基于Isight软件利用NSGA-II算法,在考虑了稳定性的基础上对内加劲风力机塔筒的厚度、加劲肋尺寸和根数进行多目标优化。优化后塔筒的壁厚减小,位移和应力增大,塔筒质量减小,说明风力机塔筒在满足约束和稳定性要求的前提下,材料得到充分利用。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315
【部分图文】：

力发电技术的日益成熟，风力发电机组的单机装机容同发电量下机组建设的成本，一定程度上提高风电项西部，而用电负荷集中在东部及沿海省份，高压输电源。为此，国家提倡发展分散式风电，可将风电开发，海上风电场可以减少对东南沿海地区的土地资源占利用率。利用的主要形式，风力发电机组是将风能转化为电能和并网型。其中独立型风力发电机指的是单台机独立风力发电机指的是以机群布阵的。风力机按主轴和叶和垂直轴风力发电机两类：叶片旋转轴与叶片垂直的片旋转轴与叶片平行的为垂直轴风力机（如图 1.3b）。，但与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机存等缺点，所以目前占市场主导地位的是水平轴风机。

图 1.4 风力机发电机组组成(b) 圆锥形钢塔筒 (c) 混凝土塔筒图 1.5 风力机塔架形式研究现状将风的动能转化为机械能，因此叶轮是风部件的载荷也主要是由叶轮上受到的载荷

(a) 格构式钢塔架 (b) 圆锥形钢塔筒 (c) 混凝土塔筒 (d) 钢混组合塔筒图 1.5 风力机塔架形式1.2 国内外研究现状1.2.1 风力机塔筒荷载研究现状风力发电机通过叶轮将风的动能转化为机械能，因此叶轮是风力发电机组中最主要的受力部件，风力发电机中其它部件的载荷也主要是由叶轮上受到的载荷引起的。由于风力发电机组长时间处于复杂的自然环境中，当遇到阵风时，风速瞬时变化可达到几十米每秒，这给风力发电机组造成了极大的瞬时负荷。当风力发电机组发生故障而紧急停机时，也会造成极大的瞬时负荷。自然环境中的风速、风向随时都在变化，风轮在不停的转动，这也会给风力发电机组带来非常复杂的交变载荷。因此，风力发电机组上的载荷将直接影响风力发电机组的强度和寿命。国外对于风力机叶片载荷的研究相对较早，在 1990 年就有人成立机构并制定了检测标准和建立了完善的相关知识技术体系，并对不同类型风机叶片的翼型、结构、制造工艺、气动特性等开展了研究。2006 年，Thomsen K[2]对风力机叶片进行加载直至叶片破坏，记录了整个加载过程中位移的变化过程。Jense FM[3]等人将试验结果和有限元分析进行了比较，并对该叶片的
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本文编号：2868973