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風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的動(dòng)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(tái)供電等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究，涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、土木工程，以及機(jī)械設(shè)計(jì)、制造等多個(gè)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(tái)、爬梯、門(mén)洞、法蘭等附屬設(shè)備。為了便于對(duì)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?jiǎn)化，忽略其附屬設(shè)備的影響，在保證滿(mǎn)足工程精度的前提下減少計(jì)算量。
本文首先運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)塔架建立有限元模型，并在三種工況下對(duì)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(jì)算的重要因素。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的實(shí)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。考慮模型的非線性，有限元模型采用三維實(shí)體模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)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(lái)描述塔架所承受的作用力。塔架主要承受空氣的氣動(dòng)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(jiàn)圖。
靜強(qiáng)度分析時(shí)將荷載簡(jiǎn)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(méi)有節(jié)點(diǎn)，施加的荷載無(wú)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(jiàn)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(shí)，可以對(duì)塔底施加全約束，即約束塔底所有節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，與其他受力節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上，通過(guò)剛性梁來(lái)傳遞荷載，詳見(jiàn)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(jiàn)圖。鋼塔架在各種工況下的位移見(jiàn)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(jì)算結(jié)果表明，在三種工況下塔架的危險(xiǎn)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(jì)時(shí)，應(yīng)以塔筒底部最大應(yīng)力作為塔架強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。(2)計(jì)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(jì)算的依據(jù)。(3)在三種工況中，切出風(fēng)速工況對(duì)塔架的應(yīng)力與位移的影響最大，因此設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮切出風(fēng)速工況下的荷載對(duì)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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