風(fēng)力機(jī)塔架疲勞壽命分析TOC\o"1-3"\h\u摘要 第一章概述 1.1課題研究的背景及意義 1.1.1風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.2風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)介 1.1.3風(fēng)力機(jī)塔架簡(jiǎn)介 1.2風(fēng)力機(jī)塔架疲勞壽命分析的意義 1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1國(guó)外研究風(fēng)力機(jī)塔架的現(xiàn)狀 1.3.2國(guó)內(nèi)研究風(fēng)力機(jī)塔架的現(xiàn)狀 1.4本論文所做的工作 第二章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及其分析理論 2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部件 2.2有限單元法理論 2.2.1有限元法簡(jiǎn)介 2.2.2有限元的基本理論 2.3有限元分析軟件ANSYS 2.3.1ANSYS軟件的基本組成、功能 第三章風(fēng)力機(jī)塔架的靜應(yīng)力分析 2.1引言 2.2水平軸風(fēng)力機(jī)機(jī)理 2.3塔架的理論計(jì)算 2.3.1塔架的力學(xué)模型 2.3.2塔架的載荷簡(jiǎn)化 3.3塔架的有限元建模 3-3-4底座的網(wǎng)格劃分 3.4應(yīng)力計(jì)算及snsys模擬分析 3.5本章小結(jié) 第四章風(fēng)力機(jī)塔架的疲勞分析評(píng)價(jià) 4.1疲勞分析的基本理論 4.1.1結(jié)構(gòu)的疲勞定義 4.1.2影響結(jié)構(gòu)疲勞的主要因素 4.1.3結(jié)構(gòu)疲勞的研究方法 4.2塔架的疲勞ANSYS分析基本原理 4.3ANSYS疲勞模擬分析 4.4本章小結(jié) 第五章結(jié)論與展望 參考文獻(xiàn) 致謝 摘要新生能源正在逐漸崛起，也正慢慢的影響著我們的日常生活。其中最為矚目和令人稱道的便是風(fēng)能。風(fēng)能現(xiàn)如今被認(rèn)為是最具開發(fā)潛能和實(shí)效作用的清潔能源，其所能利用的價(jià)值不可估量。風(fēng)能，顧名思義，最主要的能源來(lái)源取自風(fēng)力，通過(guò)一系列運(yùn)作，達(dá)到風(fēng)力發(fā)電的效果。當(dāng)然，風(fēng)力發(fā)電也并非易事，基本需要諸多繁瑣的流程，才能達(dá)到理想的效果。它的塔架需要經(jīng)受多種載荷，并且因?yàn)榧羟酗L(fēng)、陣風(fēng)等緣故會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，從而造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的損壞。因而，對(duì)風(fēng)力機(jī)塔架實(shí)行動(dòng)靜態(tài)的特質(zhì)分析有著不一般的意義。也未解決后期風(fēng)力發(fā)電可能會(huì)面臨的問(wèn)題做足思考和準(zhǔn)備，以備不時(shí)之需。本文在思考某定型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)特性和受力特質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)立了變截面筒型塔架的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理上，推理出了塔架頂尖水平位移、基頻的計(jì)算公式和在綜合考慮葉輪、機(jī)艙及塔架自重共同影響下的臨界力計(jì)算公式;分析了塔架的固定參數(shù)及載荷對(duì)整機(jī)的穩(wěn)固性和疲勞特質(zhì)的影響作用。并運(yùn)用有限元法和ANSYS軟件對(duì)塔架實(shí)行動(dòng)靜態(tài)特性的模擬數(shù)值分析。主要內(nèi)容和結(jié)論如下：1.運(yùn)用有限元數(shù)值模擬的結(jié)果與運(yùn)用概念計(jì)算得出的結(jié)果十分相識(shí)，考證了有限元模擬的準(zhǔn)確性。塔架底端開門洞和在不同的風(fēng)速下變槳角導(dǎo)致了塔架上邊各部件要點(diǎn)的改變對(duì)塔架靜強(qiáng)度產(chǎn)生了輕微的作用。因而，我們?cè)趯?duì)風(fēng)力機(jī)塔架實(shí)行力學(xué)分析和設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)該從實(shí)際情況分析思慮。2.對(duì)塔架實(shí)行振動(dòng)特質(zhì)和響應(yīng)分析，在對(duì)幾類差別模型的數(shù)值進(jìn)行模擬分析，得出塔架底部機(jī)頭的品質(zhì)和底部根基的強(qiáng)度對(duì)塔架的固定頻率有一定的影響。通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)分析，能夠得出塔架在不同的頻率下的回應(yīng)，峰值和頻率所相對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和合力；并且通過(guò)計(jì)算得出塔架在各時(shí)間的位移、速度和加速度，進(jìn)而為對(duì)風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)務(wù)實(shí)了根基。3.對(duì)塔架實(shí)行收縮統(tǒng)計(jì)，充分利用ANSYS數(shù)值模擬分析，同期在塔筒接連處，運(yùn)用實(shí)體單元對(duì)法蘭盤模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算有很高的精確性，可以實(shí)現(xiàn)一般工程的運(yùn)用，而且比現(xiàn)今工程計(jì)算更加的安全。相對(duì)于底層開門洞的塔架，門洞處區(qū)域可能會(huì)引起收縮失衡。薄壁圓柱殼是相對(duì)缺陷敏感的結(jié)構(gòu)部分，需要考慮到門洞對(duì)收縮的作用，同期運(yùn)用門框強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，可能會(huì)增加塔架的收縮印度。對(duì)塔架實(shí)行疲勞統(tǒng)計(jì)，能夠得到塔架的疲勞壽命基數(shù)，測(cè)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)塔架的應(yīng)用壽命狀況，校正核塔架的疲勞使用強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)塔架；有限元；振動(dòng)特性；屈曲；疲勞壽命

AbstractWindenergyiscurrentlythemostpromisingdevelopmentandutilizationofarenewableenergy.Oneofthemainwaysofwindenergyutilizationiswindpowergeneration.However,theworkingenvironmentofwindturbinesystemisverycomplicated,anditstowerissubjectedtovariousloads,andshearwind,gustandsooncausevibration,whichleadstothedestructionofwindturbine.Therefore,itisofgreatsignificancetoanalyzethestaticanddynamiccharacteristicsofthewindturbinetower.

Inthispaper,themechanicalmodelofvariablecross-sectioncylindricaltowerisestablishedbycombiningthestructuralcharacteristicsandthecharacteristicsofthetowerofacertaintypeofwindturbine.Basedonthestructuraldynamicsprinciple,thecalculationformulaofhorizontaldisplacementandfundamentalfrequencyoftowertopandthecalculationformulaofcriticalforceunderthecombinedactionofimpeller,engineroomandtowerweightarededuced.Thespecificparametersandloadoftowerarestudied.Stabilityandfatigueproperties.AndthefiniteelementmethodandANSYSsoftwarewereusedtosimulatethestaticanddynamiccharacteristicsofthetower.Themaincontentsandconclusionsareasfollows:

1.Thefiniteelementnumericalsimulationisclosetothetheoreticalcalculation,andthecorrectnessofthefiniteelementmodelisverified.Theopeningofthetoweratthebottomofthetowerandthepitchatdifferentwindspeedscausethechangeinthecenterofgravityofthecomponentsabovethetowertohaveacertaininfluenceonthestaticstrengthofthetower.Therefore,inthewindturbinetowerformechanicalanalysisanddesigncalculationsshouldbeconsideredaccordingtotheactualsituation.

2.Thevibrationcharacteristicsandresponseanalysisofthetowerareanalyzed.Throughthenumericalsimulationofseveraldifferentmodels,thequalityofthebottomofthetowerandthestiffnessofthebottomfoundationhaveagreatinfluenceonthenaturalfrequencyofthetower.Throughthedynamicresponseanalysis,theresponseofthetoweratdifferentfrequenciesandthedeformationandstressofthecorrespondingstructureofthepeakfrequencycanbeobtained.Atthesametime,thedisplacement,velocityandaccelerationofthetowerarecalculatedatthesametime,soastolaythefoundationfortheoptimizationdesignofthewindturbineThefoundation.

3.Thebucklinganalysisofthetower,theuseofANSYSnumericalsimulation,atthesametimeinthetowerconnection,theuseofsolidelementsontheflangesimulationresultshaveahighaccuracy,toachievethegeneralapplicationofengineering,andthanthecurrentengineeringcalculationsBiasedtowardssafety.Forthebottomofthetowertoopenthedoor,neartheholemayoccurbucklinginstability.Thin-walledcylindricalshellsaredefect-sensitivestructuresthattakeintoaccounttheeffectofthedooronthebuckling,whiletheuseofthedoorframetostrengthenthestructurewillincreasethebucklingstrengthofthetower.4.Fatigueanalysisofthetower,youcangetthefatiguelifeofthetowercoefficient,testthelifeofthewindturbinetower,checkthetowerfatiguestrength.Keywords:windturbinetower;finiteelement;vibrationcharacteristics;buckling;fatiguelife

概述1.1課題研究的背景及意義1.1.1風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀世界各地的風(fēng)能資源是可再生的，每年的產(chǎn)量也很多。由于風(fēng)速是非常隨機(jī)的，因此必須要通過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)才能知道風(fēng)速的資源潛力。此外，因?yàn)槟承┓矫胬缬^測(cè)技術(shù)的限制，無(wú)法在極其準(zhǔn)確的范圍內(nèi)精準(zhǔn)估量地球所潛在風(fēng)力資源。因而在技術(shù)方面，還是留有很多發(fā)揮的空間。也正逐漸地引領(lǐng)我們?nèi)グl(fā)掘。的根據(jù)氣象局估計(jì)的報(bào)告顯示，水資源也僅僅是風(fēng)能資源的十分之一，如果根據(jù)平均6.9米/秒的風(fēng)速計(jì)算的話，全球的可用風(fēng)能資源大概是72萬(wàn)億千瓦時(shí)。大約在2020年之前，只要能開發(fā)出三分之一的風(fēng)能資源即可滿足世界的生活需要[1]。風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的步伐飛快。全球風(fēng)電29％的增長(zhǎng)率維持了將近十年。全球的風(fēng)電裝機(jī)在2016年年底之前已經(jīng)達(dá)到了94000MW。從一些國(guó)家調(diào)查的裝機(jī)數(shù)據(jù)顯示，德國(guó)，美國(guó)和葡萄牙的數(shù)量位列前三。德國(guó)24.7％，美國(guó)18.6％，葡萄牙15.2％。到2008年底，裝機(jī)容量超過(guò)2000MW的國(guó)家就已經(jīng)有十個(gè)了。表一是全球裝機(jī)數(shù)量前十的國(guó)家名單。表12016年裝機(jī)容量前十的國(guó)家國(guó)家MW％德國(guó)2224724.7美國(guó)1681818.6葡萄牙1514515.2印度80008.5中國(guó)60506.4丹麥31253.3意大利27262.9英國(guó)24542.6其他1301913.8我國(guó)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模有著很長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃。根據(jù)國(guó)家現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模，我國(guó)將在2020年實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模規(guī)模的擴(kuò)大化，即實(shí)現(xiàn)在2020年達(dá)到總體裝機(jī)容量達(dá)到3000萬(wàn)千瓦?？v觀國(guó)家總體情況，實(shí)際不容樂(lè)觀。據(jù)調(diào)查，2015年，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)發(fā)電能源的總體裝機(jī)容量還不足130萬(wàn)千瓦。相較于西方國(guó)家還具有很大差距?；菊紦?jù)全世界總體風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的0.17％。這是具有很大差距的。因此，對(duì)于未來(lái)中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電能源的開發(fā)，還有很多路要去涉足和探索。這是一條極其漫長(zhǎng)的道路，卻足以改變一個(gè)國(guó)家的命運(yùn)。路雖長(zhǎng)，但還是要走。1.1.2風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)介風(fēng)車/風(fēng)力機(jī)(windmachine)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成成機(jī)械能的裝置。風(fēng)力機(jī)由來(lái)已久，其發(fā)展也經(jīng)歷過(guò)歲月的打磨，因此具有很長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間和歷史。風(fēng)力機(jī)總共包含有兩種機(jī)型，分別是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和螺水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)這兩種，如圖1-1，1-2所示。風(fēng)力機(jī)的主要構(gòu)造包括機(jī)艙，葉片。底座和塔筒，這些構(gòu)造組成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主體，也十分具有實(shí)用效用。大型風(fēng)力機(jī)的塔筒呈圓錐形，下面直徑大，上面直徑小。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用原理和他的構(gòu)造不無(wú)關(guān)系，葉片的作用也因此而發(fā)揮出來(lái)，當(dāng)葉片受到來(lái)自于風(fēng)的作用從而發(fā)生力矩，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這種操作可以使風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)和變頻器等組合為整體系統(tǒng)發(fā)電，最后一步便能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。圖1-1水平軸風(fēng)力機(jī)圖1-2垂直軸風(fēng)力機(jī)1.1.3風(fēng)力機(jī)塔架簡(jiǎn)介風(fēng)力機(jī)的主要受力部件是塔架，如圖1-3所示。它要承受風(fēng)力機(jī)葉片的重量，已經(jīng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候的扭矩，此外還會(huì)受到平行風(fēng)的風(fēng)載荷。這也就可以很好的解釋了為什么整個(gè)風(fēng)力機(jī)塔架在總體設(shè)計(jì)上所呈現(xiàn)的下大上小的現(xiàn)象。陸地上的風(fēng)力機(jī)塔架所經(jīng)受的交變載荷主要是來(lái)自于風(fēng)直接工作在塔架上的氣動(dòng)載荷產(chǎn)生的，風(fēng)對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生作用，然后將其傳送到塔架的載荷和風(fēng)輪工作進(jìn)程中產(chǎn)生的震動(dòng)。因此有限元已經(jīng)成為搭架設(shè)計(jì)的必要工具。早期設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)對(duì)疲勞重視不夠，導(dǎo)致了疲勞失效頻發(fā)如圖1-4所示，因此為了長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮，在為了確保其整體質(zhì)量和水平的基礎(chǔ)上，現(xiàn)如今的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常常運(yùn)用錐形塔筒來(lái)進(jìn)行發(fā)電裝置的組合，這樣能夠確保發(fā)電機(jī)組整體的完整性和總體發(fā)電的強(qiáng)度。在保證質(zhì)量的同時(shí)，也注重了其整體的實(shí)用性和整體觀感。這樣不僅有利于發(fā)電的完美運(yùn)作，還做到了普通運(yùn)輸?shù)姆奖?。這樣的改變是十分具有意義和可持續(xù)性。現(xiàn)代基本所有的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都普遍采用錐筒式的方法進(jìn)行搭架。這類方式的搭架通常由若干段不等長(zhǎng)度的錐筒用法蘭接連形成，搭架由下向上逐漸變小，展示出整體的圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)。這類變截面增強(qiáng)厚度的結(jié)構(gòu)模式讓不同段的慣性矩以及線品質(zhì)和抗彎強(qiáng)度等基本參數(shù)都不再一樣。因此，搭架的有限元分析建模很復(fù)雜。圖1-3風(fēng)力機(jī)塔筒圖1-4風(fēng)力機(jī)事故1.2風(fēng)力機(jī)塔架疲勞壽命分析的意義風(fēng)力機(jī)塔架作為整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件，在技術(shù)方面有一定的難點(diǎn)和重點(diǎn)，這是不能忽視的。能夠保證風(fēng)力機(jī)正常平穩(wěn)運(yùn)行主要的決定性因素是靠它的質(zhì)量。風(fēng)力機(jī)因?yàn)樗墓ぷ鞯臈l件比較苛刻，而且還要保證它的正常使用壽命在20年，因此，其需要塔架需要滿足下列條件：很高的疲勞強(qiáng)度以及優(yōu)良的使用性能，能夠承受得住隨機(jī)載荷和暴風(fēng)這些非常極端惡劣因素的測(cè)驗(yàn)。塔架在原來(lái)規(guī)定的外部基礎(chǔ)條件上，設(shè)計(jì)能夠在穩(wěn)定的支撐風(fēng)輪和機(jī)艙（包括發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)）工作的載荷情況下，這樣能夠最大程度上保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常安全的運(yùn)行機(jī)制。其次我們可以通過(guò)對(duì)計(jì)算的分析研究或者是實(shí)驗(yàn)對(duì)確定塔架的固定頻率和阻尼特質(zhì)，從而對(duì)塔架運(yùn)行風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)造成的震動(dòng)，或者是風(fēng)引起的順風(fēng)和橫風(fēng)向振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)，讓其能夠在規(guī)定的設(shè)計(jì)狀況下滿足運(yùn)行的穩(wěn)定性和變性的限制條件。最后通過(guò)對(duì)塔架的基本設(shè)計(jì)，材料的選擇和防護(hù)措施應(yīng)對(duì)能夠很大程度上縮小它的外部因素對(duì)塔架安全性和完全性的限制。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究風(fēng)力機(jī)塔架的現(xiàn)狀西方國(guó)家在風(fēng)力機(jī)技術(shù)的開發(fā)和使用中研發(fā)比較早，諸如美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，他們長(zhǎng)期在技術(shù)上處于遙遙領(lǐng)先的地位，在對(duì)于塔架疲勞的有關(guān)問(wèn)題上的分析也實(shí)行了大量的信息探討。IEC61400-13是IEC系列條件中觸及風(fēng)力發(fā)電的載荷檢測(cè)部分標(biāo)準(zhǔn)，主要是在對(duì)于水平軸大型風(fēng)力發(fā)電的規(guī)范性描述分析。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為我們提供了風(fēng)力機(jī)載荷監(jiān)測(cè)的相關(guān)方法和技術(shù)條件，能夠作為檢測(cè)指南進(jìn)程考證或直接確定它的結(jié)構(gòu)載荷。考慮到了結(jié)合非周期載荷和隨機(jī)載荷的組合，使用功率譜來(lái)表述疲勞載荷。文獻(xiàn)主要考慮確定性載荷，使用簡(jiǎn)單的方式計(jì)算氣動(dòng)力，重力和陀螺力。用時(shí)域方式來(lái)處理隨機(jī)疲勞載荷問(wèn)題。塔架的疲勞載荷譜可以由計(jì)算得出，也可以由測(cè)驗(yàn)方式得出。如國(guó)外的Wisper載荷譜，是在模擬分析塔架的應(yīng)力載荷，衡量了歐洲9個(gè)不同種類風(fēng)力機(jī)載荷基礎(chǔ)上得出的。該譜現(xiàn)在已經(jīng)用于風(fēng)力機(jī)塔架材料和結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)評(píng)估上，疲勞壽命的預(yù)估分析。是對(duì)惡劣條件下風(fēng)力機(jī)行為和載荷的研究分析，其中主要評(píng)估了塔架底端主要區(qū)域的應(yīng)力分析統(tǒng)計(jì)，并對(duì)它的周期性載荷變量實(shí)行研究。利用SwayCompany提供的壽命評(píng)估程序Simapro，模擬風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)。現(xiàn)今為止，針對(duì)風(fēng)力機(jī)疲勞分析統(tǒng)計(jì)已經(jīng)實(shí)行了大量的研究分析，但在相關(guān)復(fù)合材料的應(yīng)力損壞并不常見(jiàn)，而且它的技術(shù)也不算成熟。例如Taleja的食量損傷模擬[3]。指出Miner線性累積損傷法則適用于金屬疲勞失效模型。盡管如此，大多數(shù)文獻(xiàn)任然采用Miner線性累積損傷法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。1.3.2國(guó)內(nèi)研究風(fēng)力機(jī)塔架的現(xiàn)狀縱觀我國(guó)總體情況和基本國(guó)情，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的研究，我國(guó)的總體研究的起步是出于比較微弱的狀態(tài)，即起步和發(fā)展相對(duì)較晚，也對(duì)于此方面沒(méi)有太多豐富的經(jīng)驗(yàn)和具體的實(shí)踐。因此，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝置的壽命也相對(duì)較短，基本沒(méi)有能夠超過(guò)20年的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這和我國(guó)具體實(shí)踐的缺失不無(wú)關(guān)系。實(shí)踐數(shù)據(jù)的缺少，才致使我國(guó)對(duì)于發(fā)電機(jī)組壽命的提高一直沒(méi)有可觀的進(jìn)展，因此才產(chǎn)生了一些技術(shù)上難以攻克的難關(guān)。困難是固定存在的，同時(shí)也是無(wú)可避免的。技術(shù)和實(shí)踐數(shù)據(jù)的缺失造成了我國(guó)至今沒(méi)有研究出大型的風(fēng)力機(jī)塔架的實(shí)際測(cè)驗(yàn)疲勞載荷譜。但是如果能夠依據(jù)給定的情況便可以很容易的推測(cè)出疲勞載荷普，這種方式的操作實(shí)際上是相對(duì)簡(jiǎn)單易懂的。在對(duì)風(fēng)力機(jī)塔架使用的玻璃鋼材料的疲勞特性上實(shí)行了研究分析，使用典范推選的簡(jiǎn)化疲勞載荷譜，使用了Apple和Besquin兩種S-N關(guān)系式曲線分析了葉片上存在的疲勞狀況，并經(jīng)過(guò)研究分析指出，因?yàn)锳pple公式在材料的長(zhǎng)壽命區(qū)域遞減性很大，而材料的疲勞強(qiáng)度較低，不適合塔架高循環(huán)次數(shù)低于應(yīng)力載荷譜的特性，而典范推薦的Besquin所應(yīng)用的S-N曲線是比較合理的。在利用ANSYS有限元解析軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)2MW的復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)實(shí)行有限元建模，以及靜力學(xué)分析和模態(tài)分析[4]。主要從風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷壽命條件出發(fā)對(duì)風(fēng)力機(jī)疲勞問(wèn)題實(shí)行了研究分析。確立了風(fēng)力機(jī)疲勞分析的基本方法和步驟，之后由疲勞載荷譜計(jì)算得出塔架的疲勞壽命。在DASP軟件的疲勞分析方法基礎(chǔ)上，主要應(yīng)用復(fù)合材料應(yīng)力循環(huán)特質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)承受的交變載荷實(shí)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，之后進(jìn)行破損度的計(jì)算壽命預(yù)估。1.4本論文所做的工作風(fēng)力機(jī)搭架疲勞壽命分析可通過(guò)疲勞試驗(yàn)和疲勞計(jì)算兩種方法，疲勞試驗(yàn)的方法在風(fēng)力機(jī)搭架的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)做出明確的規(guī)定，因?yàn)槠谠囼?yàn)須要對(duì)全部尺寸的風(fēng)力機(jī)搭架實(shí)行程序普或者是幅譜載荷的加載實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行結(jié)束之后，需要對(duì)試件實(shí)行分解檢查和端口分析，但是因?yàn)槭艿街T多實(shí)驗(yàn)條件的限制，不能正常進(jìn)行。本論文選取計(jì)算方法進(jìn)行搭架疲勞分析。第二章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及其分析理論2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部件細(xì)數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的種類，可謂是品種繁多，各式各樣，難以一一敘述清楚。但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是憑借將大自然的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，其最主要的能源來(lái)源是因?yàn)槭艿搅艘蝻L(fēng)力的作用而帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪的因素，在高速旋轉(zhuǎn)下而產(chǎn)生相應(yīng)的能源反饋，到達(dá)發(fā)電的效果。因此，在風(fēng)輪方面，風(fēng)力機(jī)可以憑借風(fēng)輪的基本構(gòu)造模式和風(fēng)輪所處的地理位置所能收到的氣流影響而可以分為兩種類型，分別是垂直軸風(fēng)力機(jī)和水平軸發(fā)電機(jī)。而本次課題討論的重點(diǎn)便是水平軸發(fā)電機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)的外形如圖2-1所示，風(fēng)輪繞著一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行的時(shí)候，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面和風(fēng)向是垂直的。風(fēng)輪上的風(fēng)片是徑向安裝的，和旋轉(zhuǎn)軸互相垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度φ(安裝角)。風(fēng)輪葉片的數(shù)量，主看風(fēng)力機(jī)的用途來(lái)確定。用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)一般葉片數(shù)需要1～4(大多為2片或3片)，葉片數(shù)使用少的風(fēng)力機(jī)平常稱為高速風(fēng)力機(jī)，是因?yàn)樗诟咚俟ぷ鲿r(shí)有比較高的風(fēng)能利用系數(shù)，但是它的起動(dòng)風(fēng)速很高。因?yàn)樗娜~片數(shù)較少，在輸出功率同等的條件下比低速風(fēng)輪要輕很多，因此比較適用于發(fā)電。水平軸的風(fēng)力機(jī)主要是由以下幾部分組成：風(fēng)輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(增速箱)、發(fā)電機(jī)、機(jī)座、塔架、調(diào)速器或限速器、調(diào)向器、停車制動(dòng)器等。其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)2-2。風(fēng)輪葉片裝在輪轂上被稱為風(fēng)輪，它包含葉片、輪轂等。風(fēng)輪作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)接收風(fēng)能的主要部件部件?，F(xiàn)今的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)，通常為1～4枚葉片，經(jīng)常用的是2枚到3枚葉片。因?yàn)槿~片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接收風(fēng)能的主要部件，因此葉片的扭曲、翼型的各類參數(shù)和葉片結(jié)構(gòu)都可能會(huì)直接影響葉片接收風(fēng)能的效率和葉片的使用壽命。葉片頂端在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)中所形成圓的直徑稱風(fēng)輪直徑，也稱為葉片直徑?，F(xiàn)如今的中國(guó)，已經(jīng)在新能源的開發(fā)利用上取得了突出的成果和發(fā)展，在清潔能源的產(chǎn)業(yè)化方面也取得了突出了成就和可觀的未來(lái)前景。不論是太陽(yáng)能光伏的發(fā)展還是其他清潔能源的開發(fā)利用方面，都已經(jīng)具有了初步規(guī)模。且一部分的能源產(chǎn)業(yè)也實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。但縱觀全世界，在發(fā)達(dá)國(guó)家面前，我們的能源產(chǎn)業(yè)畢竟還只是處于起步階段，與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距還是相當(dāng)明顯的。這一點(diǎn)所展現(xiàn)的方面可能也不止一點(diǎn)兩點(diǎn)。在整體的規(guī)模，技術(shù)，發(fā)展水平方面，或是開發(fā)能源的基本數(shù)據(jù)實(shí)踐和速度上都有著或多或少的距離。在新能源異軍突起的現(xiàn)代中國(guó)，各大商業(yè)企業(yè)應(yīng)該秉持著一種發(fā)展的信念，為中國(guó)能源的未來(lái)做出自己的一份貢獻(xiàn)。特別是風(fēng)力發(fā)展并不特別完善的時(shí)期，風(fēng)電企業(yè)就更應(yīng)該積極研發(fā)出具有創(chuàng)新實(shí)效和具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在各個(gè)方面諸如設(shè)計(jì)理念，壽命延長(zhǎng)和基本技術(shù)方面達(dá)到應(yīng)有水平和效果。只有一直秉承發(fā)展信念，才能夠?yàn)槲覈?guó)逐漸發(fā)展的風(fēng)電系統(tǒng)提供可靠的技術(shù)支持和可靠援助。并開發(fā)出成本低的新型風(fēng)力發(fā)電大容量機(jī)組，為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的前景做足準(zhǔn)備和支持。這些，是每個(gè)新能源企業(yè)義不容辭的責(zé)任。本文分析的關(guān)鍵部件——塔架一般為圓形筒塔架，用于支撐整個(gè)風(fēng)機(jī)上部及其他輔助功能。塔架內(nèi)部裝有爬梯和安全繩以及工作平臺(tái)，控制系統(tǒng)放在塔架內(nèi)部的平臺(tái)上。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)顯著趨勢(shì)是塔架高度的增加，這樣可以提高風(fēng)能的利用率。據(jù)有關(guān)資料顯示，從80年代初到1994年，塔架平均高度由18M增加到35M，到90年代末已達(dá)到40M。而近年來(lái)各國(guó)新研發(fā)的風(fēng)機(jī)，塔架高度都顯著增加，最高已達(dá)到100M左右。隨著塔架高度的升高，在對(duì)塔架的結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)特性的設(shè)計(jì)中對(duì)整個(gè)風(fēng)力機(jī)的過(guò)程尤為重要。2.2有限單元法理論2.2.1有限元法簡(jiǎn)介1.有限單元法基本思想及其發(fā)展史有限元法(FiniteElementMethod.FEM)，也稱為有限元法（FEM）或有限元法（FEM）是一種數(shù)值方法的結(jié)構(gòu)分析。矩陣法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)中的發(fā)展與應(yīng)用?；镜南敕ㄊ?，彈性連續(xù)介質(zhì)有限元，他們互相連接在一個(gè)有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，在一定的精度，為每個(gè)單元與有限的參數(shù)來(lái)描述的力學(xué)性能和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)性能可以被認(rèn)為是一個(gè)小筆這些機(jī)械性能，從而建立一個(gè)平衡連續(xù)性方程。它是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法[5]。2．國(guó)內(nèi)外有限元分析發(fā)展現(xiàn)狀采用有限元分析方法和計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成逐漸成熟，有限元分析方法已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的科學(xué)和工程研究。1943柯朗首先提出一個(gè)原始的全斷面連續(xù)離散化的概念（離散）分成若干分段連續(xù)的單元，并首次嘗試分段連續(xù)函數(shù)和三角形單元的組合應(yīng)用的最小勢(shì)能原理求解扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。1956、m.j.turner和r.wclough等人的應(yīng)力和變形分析結(jié)構(gòu)的直接剛度法，數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用給解決壓力問(wèn)題第一時(shí)間是通過(guò)復(fù)雜的平面三角形單元計(jì)算。1960，R.W.Clough提出了“有限元”的第一次。有限元法作為一種數(shù)值分析方法，在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1965、o.c.zienkiewicz等人提出了一種可應(yīng)用于所有領(lǐng)域的問(wèn)題可以在變分法的形式計(jì)算的有限元法。從1968年初開始，大量的數(shù)學(xué)文獻(xiàn)的有限元方法已經(jīng)公布，有限單元法的基本理論是近似理論，是一種結(jié)合偏微分方程和變分和功能分析，并致力于多種細(xì)胞類型，收斂速度和穩(wěn)定性的估計(jì)誤差的離散[6]。3.有限元方法典型分析步驟有限元分析的主要步驟是：離散化的連續(xù)是一個(gè)給定的物理系統(tǒng)劃分成等效有限元系統(tǒng)。必須確定單元的類型、數(shù)量、大小和排列，以便合理和有效地表示給定的物理系統(tǒng)。位移模型假定的位移函數(shù)或模型只近似表示真實(shí)位移分布。在實(shí)踐中，沒(méi)有多項(xiàng)式可以完全相同的實(shí)際位移。用戶必須做的是選擇多項(xiàng)式的順序，以便它可以實(shí)現(xiàn)足夠的精度，在計(jì)算時(shí)間是可用的[7]。利用變分原理導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃嚕脝卧獎(jiǎng)偠染仃噷⒐?jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力聯(lián)系起來(lái)。將物體的分布力轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)處的等效集中力。整個(gè)離散連續(xù)的代數(shù)方程組的收集，即，每個(gè)元素的剛度矩陣被納入整個(gè)連續(xù)的剛度矩陣，和每個(gè)元素的節(jié)點(diǎn)力矢量被納入總的力和負(fù)載向量。在實(shí)際工作中，上述有限元分析只是計(jì)算機(jī)軟件處理的一個(gè)步驟（有限元程序）。為了完成工程分析，需要更多的預(yù)處理和后處理。通過(guò)以上分析可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，劃分為單元分析，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。2.3有限元分析軟件ANSYS2.3.1ANSYS軟件的基本組成、功能本文所采用的ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件。能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場(chǎng)等學(xué)科的研究[8]。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9]。在世界各行各業(yè)中，ANSYS得到了廣泛的應(yīng)用并取得了成功。這些年，它一直排在有限元分析（FEA）排名第一的軟件，它是通過(guò)IS09001質(zhì)量第一認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)軟件，也可通過(guò)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）和美國(guó)核安全局（NQA）標(biāo)準(zhǔn)分析，首次在中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證委員會(huì)獲國(guó)務(wù)院17部委批準(zhǔn)[10]。預(yù)處理模塊提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格工具，參數(shù)設(shè)置功能和CAD軟件無(wú)縫集成能力。該軟件提供了超過(guò)100種類型的單位來(lái)模擬每個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)與材料。在幾何建模中，ANSYS不僅具有點(diǎn)、線、面、體依次生成的順序而生成幾何模型的自頂向下的建模方式，還具有通過(guò)調(diào)用幾何體素和采用布爾運(yùn)算而生成幾何模型的自頂向下的建模方式[11]。2.3.2ANSYS軟件在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用本文利用ANSYS軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵部件的靜應(yīng)力進(jìn)行了分析，并采用結(jié)構(gòu)靜力分析方法解決了外部荷載引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。靜態(tài)分析是完美的慣性和阻尼問(wèn)題不明顯。ANSYS程序的靜力分析不僅可以分析線性、非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變和接觸分析。

風(fēng)力機(jī)塔架的靜應(yīng)力分析2.1引言對(duì)于工程結(jié)構(gòu)而言，我們經(jīng)常使用結(jié)構(gòu)分析方法中的結(jié)構(gòu)靜力來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。這種結(jié)構(gòu)形式和材料是各種各樣的，種類繁多，它具有和其他機(jī)器不一樣的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)理念，但是對(duì)于其內(nèi)在的設(shè)計(jì)過(guò)程，還有分類分析是相同的。對(duì)于分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力還有結(jié)構(gòu)，它的與線彈性分析是我們不容忽視的一個(gè)非線性特質(zhì)，之后再依照內(nèi)力對(duì)它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有靜力強(qiáng)度進(jìn)行分析是一種普遍的應(yīng)用，是在其他類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的分析[11]。塔架作為風(fēng)力機(jī)的重要鏈接設(shè)備，因此，我們需要計(jì)算出塔架應(yīng)力變形的足夠強(qiáng)度和剛度來(lái)預(yù)防危險(xiǎn)，以次保證機(jī)器在不同風(fēng)荷載下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)和大型風(fēng)力機(jī)的力學(xué)特性，建立了橫向鋼管塔的計(jì)算模型?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，利用ANSYS有限元軟件ANSYS，分析了葉片上部水平位移、不同風(fēng)速下的靜強(qiáng)度和風(fēng)機(jī)塔架的靜強(qiáng)度變化對(duì)葉片靜強(qiáng)度的影響。2.2水平軸風(fēng)力機(jī)機(jī)理自然風(fēng)通過(guò)其頂部葉輪為其提供動(dòng)力，以此使水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)通過(guò)葉輪時(shí)，風(fēng)速下降，一些能量傳遞給風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)是大氣運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，他主要以動(dòng)能的形式表現(xiàn)出來(lái)，大氣動(dòng)能可以表示為：式中：為大氣通過(guò)葉輪的動(dòng)能；w代表在尾流遠(yuǎn)端的情形；m為通過(guò)葉輪的大氣質(zhì)量；V為大氣通過(guò)葉輪的速度。如圖2.1所示，當(dāng)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受風(fēng)時(shí)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，大氣質(zhì)量主要是葉片產(chǎn)生的包含葉輪受風(fēng)面積的數(shù)量。因而，在空氣密度為ρ，一定時(shí)間經(jīng)過(guò)葉輪受風(fēng)面積的大氣質(zhì)量m可以表示為：式中：A為葉輪受風(fēng)面積。依照式(2.1)和式(2.2)可以得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受風(fēng)面積的大氣動(dòng)能：從公式（2.3）可以推出，風(fēng)的運(yùn)轉(zhuǎn)能量與運(yùn)行風(fēng)速的三平方為正比。因此，風(fēng)力渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)的一個(gè)重要因素。風(fēng)機(jī)是風(fēng)區(qū)的代表，風(fēng)力渦輪機(jī)可以通過(guò)風(fēng)能獲得能量，但需思考效率（能量轉(zhuǎn)換率）。風(fēng)力渦輪機(jī)的功率，那么，應(yīng)該是風(fēng)力渦輪機(jī)的頂級(jí)和高效率的產(chǎn)品[12]。2.3塔架的理論計(jì)算2.3.1塔架的力學(xué)模型現(xiàn)今大型的風(fēng)力機(jī)是以錐高聳鋼結(jié)構(gòu)為主的，依照力學(xué)特質(zhì)的幾何特征能夠總結(jié)為一套彎曲變形、軸向壓縮變形與繁瑣的梁來(lái)整合問(wèn)題的變形。發(fā)動(dòng)機(jī)室、輪轂和葉片的重量是安裝在塔的頂部，同時(shí)考慮從塔中心的集中力的彎矩。2.3.2塔架的載荷簡(jiǎn)化依照其運(yùn)行的基本原理，塔架的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要承受的主要載荷有：水平軸向推力式中為空氣密度，；為葉輪半徑，；為風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速，；為風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)。2.沿塔架高度方向集中壓力式中為葉輪質(zhì)量，；為機(jī)艙質(zhì)量，；為重力加速度，。風(fēng)壓大小風(fēng)壓是受到來(lái)自于垂直于大氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力而形成的，依照伯努利方程可以推出風(fēng)壓關(guān)系。風(fēng)的動(dòng)壓為：其中為風(fēng)壓，；為空氣密度，；為風(fēng)速，。由于空氣密度和重度的關(guān)系為，因此有。在（1）中使用這些關(guān)系可得到：（2）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（氣壓為1013hPa，溫度為15℃），空氣重度r=0.01225，。維度為45°處的重力加速度為：最終得到風(fēng)壓計(jì)算公式為：（3）3.3塔架的有限元建模1.建立幾何模型大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用以錐筒型塔架為主的形式。其塔架主要由若干段不對(duì)等的20-30米的錐筒連接形成，塔架從下往上其直徑是逐漸縮小的。在分析過(guò)程中，忽視塔架本身強(qiáng)度、自振特質(zhì)、穩(wěn)定性沒(méi)有主要作用或者承受載荷狀況不是主要部位是影響較小的條件，建造塔架的一般幾何模型。既可以減輕建模的運(yùn)行工作量，且不會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。塔架拆建為底端鎖定、頂端輕松的空間薄壁圓筒形結(jié)構(gòu)[13]。本次課題采用ansys中新版本workbench15.0進(jìn)行幾何建模。首先打開workbench15.0，運(yùn)行界面如圖3-3-1所示：圖3-3-1workbench運(yùn)行界面在AnalysisSystems模塊中選擇StaticStructural（結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析）。打開窗口如圖3-3-2所示。圖3-3-1雙擊Geometry進(jìn)入到草繪模式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒是由三段圓錐筒經(jīng)過(guò)螺栓耦合連接而成。塔底直徑為3.955米，塔頂直徑為2.655米。三段塔筒的高從下往上具體為:24.9米，24.75米，16.4米。三段塔筒是三個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，點(diǎn)擊菜單欄中的Tools命令，選擇connect進(jìn)行三段塔筒的連接，由此可以代替螺栓連接進(jìn)行耦合處理[14]，塔筒的建模如圖3-3-2所示：圖3-3-2塔筒的幾何建模2生成有限元模型挑選合適的結(jié)構(gòu)類型和形狀及相對(duì)的網(wǎng)格對(duì)有限元計(jì)算而言是非常緊要且關(guān)鍵的。根據(jù)板殼理論得出，薄殼結(jié)構(gòu)是：塔筒結(jié)構(gòu)的曲率半徑和殼厚度之比(R/t≥20)。薄殼的基本假定也稱為Kirchhoff-Love(克希霍夫·勒夫)假定，其內(nèi)容主要有下列幾點(diǎn)；(1)同薄殼表面相互垂直的直線，在經(jīng)過(guò)變形后同原來(lái)垂直線一樣，長(zhǎng)度不會(huì)變化；(2)平行的表面元素的正常壓力和其他壓力相比可以忽略不計(jì);塔管壁彎曲變形及平面變形、內(nèi)力和彎曲力和表面連接和影響,采用殼單元的結(jié)構(gòu)SHELL93可以分析表面的實(shí)體,同時(shí)塔每個(gè)部分管壁的厚度不同,它可以指定單元與不同常數(shù)通過(guò)ANSYS,建立塔的有限元模型[15]。點(diǎn)擊模型按鈕進(jìn)入網(wǎng)格階段，因?yàn)槊總€(gè)塔的直徑和高度都不相等，所以密集的柵格級(jí)別是不一樣的，網(wǎng)格的塔如圖3-3-3所示，基座被用于活動(dòng)約束，所以他的網(wǎng)格更密集，如圖3-3-4所示：圖3-3-3塔筒的網(wǎng)格劃分3-3-4底座的網(wǎng)格劃分3.4應(yīng)力計(jì)算及snsys模擬分析某定型1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組錐筒塔架的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：塔架筒壁材料為Q345E合金鋼，彈性模量為210GPa，密度為7850kg/m3；塔架高度為63m，底端直徑為3.955m，頂部直徑為2.655m，底端的壁厚為28mm，頂部的壁厚15mm；葉輪和機(jī)艙的總重為50噸；葉輪及機(jī)艙的中心到塔頂?shù)母叨葹?.46m；葉輪及機(jī)艙質(zhì)量中心到塔架中軸線的距離為1.2m，風(fēng)速為13m/s[16]。通過(guò)靜力分析出，塔架是穩(wěn)固的，那么塔身底端全部的節(jié)點(diǎn)會(huì)受到滑移自由和旋轉(zhuǎn)自由的束縛，它的值是0。風(fēng)機(jī)塔架承載主重力和風(fēng)機(jī)自重、風(fēng)機(jī)負(fù)荷和風(fēng)荷載，切換到坐標(biāo)系，可分解為三分力和扭矩。我們采用不同的壁厚模型進(jìn)行有限的數(shù)值模擬，它的結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近實(shí)際的工程塔架。在對(duì)塔的變形和應(yīng)力研究基礎(chǔ)上，我們計(jì)算出了塔頂?shù)奈灰坪妥畲髴?yīng)本力。其計(jì)算結(jié)果列于表3-4-1中。表3-4-1塔架的位移以及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果名稱理論計(jì)算文獻(xiàn)計(jì)算ANSYS無(wú)門洞ANSYS有門洞整體建模分段建模整體建模分段建模76.776.379.479.779.180.7從表2.1可以看出，塔底的形狀不相同。截面的慣性矩的變化對(duì)塔頂位移和塔底應(yīng)力有影響。因而，為了保證機(jī)器通常的正常安全運(yùn)行，在工程的實(shí)際安裝過(guò)程中，應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)整葉輪所在位置。另外，因?yàn)橛?jì)算得出總體建模與分段建模的結(jié)果都很小，所以對(duì)于研究有限元建模統(tǒng)計(jì)分析就很方便，可以把全部建模用在項(xiàng)目的初步規(guī)劃中。在進(jìn)行風(fēng)力機(jī)塔架的靜應(yīng)力分析之前，我們先對(duì)風(fēng)力機(jī)底座進(jìn)行固定約束，即x，y，z方向上的自由度都為0，如圖3-4-2所示：圖3-4-2風(fēng)力機(jī)底座固定約束示意圖風(fēng)力機(jī)頂部需要加上風(fēng)機(jī)的重量，經(jīng)查閱資料可得風(fēng)機(jī)重約10噸，折合應(yīng)力為98000牛頓，塔筒自重為50噸折合應(yīng)力為49000牛頓，如圖3-4-3所示：3-4-3頂部風(fēng)機(jī)受力示意圖3-4-4塔頂受力數(shù)據(jù)在風(fēng)力機(jī)所處的沿海地區(qū)中，塔架所受的風(fēng)大都是平行風(fēng)，因此本課題所施加的風(fēng)載荷垂直于X軸，取平均風(fēng)速為13m/s的情況下，按照前文所分析的公式（3-3），根據(jù)伯努利方程可求得此時(shí)的風(fēng)載荷等效應(yīng)力為20929牛頓，如圖3-4-5和3-4-6所示：3-4-5塔筒所受風(fēng)載荷示意圖3-4-6風(fēng)載荷計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)合思考上面各類條件，經(jīng)過(guò)ANSYS的模擬計(jì)算得出塔架在正常工作時(shí)其載荷情況下的變形狀況和應(yīng)力狀況會(huì)跟著塔架高度變形、應(yīng)力的變化曲線，如圖3-4-7以及3-4-8所示，由圖可知，風(fēng)力機(jī)塔架所受的最大應(yīng)力為3-4-7風(fēng)力機(jī)塔架的總變形示意圖3-4-8風(fēng)力機(jī)塔架的等效應(yīng)力圖從風(fēng)力機(jī)塔架的等效應(yīng)力圖與風(fēng)力機(jī)塔筒的總變形圖，能夠得到對(duì)應(yīng)得塔筒的位移和他們之間的關(guān)系以及在應(yīng)力和位移之間的關(guān)系路線。具體步驟為：在進(jìn)入到StaticStructural-Mechanical模塊中右擊Model（A4），單擊insert按鈕，選擇ConstructionGeometry，相同的步驟右擊insert選擇Path，具體的參數(shù)設(shè)置為塔筒開始的點(diǎn)選擇塔底座，具體數(shù)據(jù)為X：1.3275m；Y：1.3275m，Z：66.05m。結(jié)束的點(diǎn)選擇塔頂，具體數(shù)據(jù)為X：1.9775m，Y：1.9775m，Z：0。在Solution（A6）中右擊insert，依次調(diào)選出等效應(yīng)力（Equivalent）和位移（TotalDeformation），設(shè)置ScopingMethod為Path。最后右擊Solution（A6）進(jìn)行求解，所求得的結(jié)果如圖3-4-9和3-4-10所示：圖3-4-9塔架的位移-高度曲線圖3-4-10塔架的應(yīng)力-高度曲線從圖3-4-9和圖3-4-10分析可知，塔架越高則塔架所承受的相對(duì)應(yīng)力就越小，但與此同時(shí)，隨著塔架的越來(lái)越高，塔筒的位移也就越大。因此，在實(shí)際工程中還需要考慮塔筒的高度是否滿足要求，防止應(yīng)力過(guò)大而造成不必要的損失[17]。3.5本章小結(jié)1.結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，思考到風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的特質(zhì)及特性，我們就可以構(gòu)造出塔筒的幾何模型。把理論值和ANSYS模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證塔筒建模的正確性，并且塔筒的位移和受力情況都能滿足實(shí)際工程中的應(yīng)用2.在進(jìn)行靜力學(xué)的計(jì)算時(shí)，塔架越高，塔筒的位移也就越大。塔筒在載荷力的作用下，靜應(yīng)力在塔筒上的呈非線性分布規(guī)律。隨著部分截面尺寸的變化，對(duì)于開了門洞的塔底，它的塔頂部位移及底端應(yīng)力要比不開門洞的時(shí)候大。塔架在沒(méi)有受到風(fēng)速的影響下，塔頂?shù)奈灰坪退椎膽?yīng)力與風(fēng)速是呈正比關(guān)系的。3.經(jīng)過(guò)靜應(yīng)力分析之后，我們可以檢測(cè)塔筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用、最大位移在不在安全指標(biāo)之內(nèi)。這也為塔筒的動(dòng)力學(xué)分析打下了基礎(chǔ)。

第四章風(fēng)力機(jī)塔架的疲勞分析評(píng)價(jià)磨損、腐蝕和斷裂是結(jié)構(gòu)失效的三種主要形式和三大原因。其中斷裂經(jīng)常發(fā)生突然，往往造成災(zāi)難性的事故，因此更注重?cái)嗔训钠茐?。斷裂是由多方面造成的的。?jù)分析，占三分之二以上的斷裂事故是由結(jié)構(gòu)疲勞造成的[17]。比如制造業(yè)項(xiàng)目和風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，很多事故都是由疲勞主要造成的。通常來(lái)說(shuō)，疲勞主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載或者隨機(jī)荷載作用下破壞形成的，因而，我們?cè)趯?duì)結(jié)構(gòu)的疲勞研究具有非常重要的意義。4.1疲勞分析的基本理論4.1.1結(jié)構(gòu)的疲勞定義疲勞是指在交變應(yīng)力作用下，構(gòu)件在多次循環(huán)后的突然斷裂。外部負(fù)載的數(shù)量與結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和最終破裂都是應(yīng)力隨著交變應(yīng)力作用開裂的本質(zhì)。因而，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力下降時(shí)候，它的疲勞壽命隨之延長(zhǎng)。在工作時(shí)，大于510的疲勞問(wèn)題被稱為高頻率疲勞或者是低頻率疲勞。疲勞壽命是結(jié)構(gòu)損傷的循環(huán)應(yīng)力載荷[17]。4.1.2影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要因素對(duì)于影響結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度的因素也會(huì)影響到疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命，但它們影響的主體不同。除了結(jié)構(gòu)材料外，結(jié)構(gòu)、截面尺寸和表面狀態(tài)也有關(guān)系。1．結(jié)構(gòu)外形的影響在工程的實(shí)際工作中，因?yàn)槭┕さ墓に囈?，如螺紋、溝槽、孔等，它們的結(jié)構(gòu)截面尺寸通常會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的形狀變化(缺口或橫截面)加大了某些部件的應(yīng)力和張力，一般稱為應(yīng)力集中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，應(yīng)力集中會(huì)引起疲勞裂紋的構(gòu)成，應(yīng)力集中對(duì)于疲勞強(qiáng)度也有著十分重要的影響，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命起著非常重要的作用。2．構(gòu)件截面尺寸的影響通過(guò)彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)證明，因?yàn)闃?gòu)件截面尺寸的減小，致使疲勞極限增加。由于最大應(yīng)力時(shí)是一樣的,表面的高應(yīng)力區(qū)域的體積大尺寸組件的比體積小的組件,所以疲勞裂紋形成的概率大尺寸組件的比體積小的組件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，隨著構(gòu)件尺寸越大，它的疲勞極限就越高;材料的靜強(qiáng)度就越大，從而對(duì)構(gòu)件疲勞極限的影響就越大。因而，大尺寸構(gòu)件的疲勞極限應(yīng)小于小尺寸構(gòu)件的疲勞極限，因此我們應(yīng)結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)的疲勞進(jìn)行分析思慮[18]。3．表面加工質(zhì)量的影響疲勞裂紋通常發(fā)生在構(gòu)件表面，構(gòu)件表面常有各種缺陷。因而，零件表層部分的加工質(zhì)量和狀態(tài)會(huì)對(duì)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，表層的質(zhì)量處理越低，疲勞極限就越大，材料的靜強(qiáng)度也就越高，加工質(zhì)量對(duì)構(gòu)件疲勞極限的影響就會(huì)越大[18]。4．載荷頻率的影響因?yàn)楦g或高溫的影響，由于結(jié)構(gòu)的高周疲勞，其加載頻率對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞極限會(huì)有很大影響。然而，負(fù)載頻率對(duì)疲勞極限的影響是非常小的，當(dāng)空氣在室溫下在干浴測(cè)試。由于加載頻率的加大，結(jié)構(gòu)的疲勞極限和壽命也會(huì)稍微加大。4.1.3結(jié)構(gòu)疲勞的研究方法疲勞壽命分析方法作為結(jié)構(gòu)疲勞研究的主要研究方法之一。在多個(gè)領(lǐng)域研究中不同學(xué)科對(duì)疲勞問(wèn)題的研究?jī)?nèi)容以及目的是不同的[19]。材料學(xué)科中的疲勞問(wèn)題，說(shuō)明了材料是在多次荷載作用下?lián)p傷產(chǎn)生和演化的機(jī)理。結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)研究主要是對(duì)抗疲勞設(shè)計(jì)的研究，而宏觀力學(xué)則偏向于對(duì)光滑或者簡(jiǎn)單的缺口試樣進(jìn)行多次載荷的力學(xué)行為。在實(shí)際工程中，一般實(shí)用的疲勞壽命分析方法一般有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度法等。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)與有限元分析的不斷發(fā)展，疲勞壽命分析方法也受到大眾的歡迎[19]。在對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)階段，可以對(duì)不同計(jì)劃的疲勞壽命品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，而且能夠檢查出產(chǎn)品的疲勞壽命是否滿足設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，從而實(shí)行抗疲勞設(shè)計(jì)[19]。4.2塔架的疲勞ANSYS分析基本原理1.疲勞累積損傷當(dāng)最大應(yīng)力超過(guò)了它的疲勞極限時(shí)，部件就會(huì)產(chǎn)生一定的破壞，破壞是累積損傷，當(dāng)累積到一定臨界值時(shí)，發(fā)生疲勞破壞。這就是累積損傷。是指在給疲勞累積損傷理論下定義時(shí)，常常會(huì)以疲勞損傷D和疲勞損傷的演變dD/加作為基本量，而且其疲勞損傷￡>具備明確的物理意義，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一致的疲勞損傷演化規(guī)律。對(duì)于疲勞累積損傷理論，有兩個(gè)問(wèn)題需要我們解決：（1）用循環(huán)荷載確定材料或部件的損傷程度；（2）怎么區(qū)分失效時(shí)的臨界損傷值。對(duì)于定義疲勞損傷的方法有很多，但多數(shù)是采用宏觀現(xiàn)象學(xué)來(lái)定義的。不能準(zhǔn)確給出損傷程度，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)一些誤差?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者希望能夠通過(guò)對(duì)連續(xù)介質(zhì)損傷理論的理論分析，但是他們對(duì)于所有的應(yīng)用都沒(méi)有可支撐的理論數(shù)據(jù)分析，尤其是對(duì)于復(fù)合材料的分析研究，因?yàn)槠涠嘞虍愋缘奶攸c(diǎn)，給分析也形成了一定的困難[19]。下面是給出的最通用的一些疲勞累積損傷模型，在沒(méi)有找到更好的分析方法時(shí)可以作為一種選擇。1945年，Miner基于網(wǎng)損材料吸收原理，提出了線性累積損傷的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)材料吸收凈功的原理，設(shè)材料在破壞時(shí)吸收的凈功為W，材料經(jīng)次應(yīng)力循環(huán)吸收的功為，若材料經(jīng)次應(yīng)力循環(huán)后發(fā)生破壞，則：（4.1）同理，設(shè)為經(jīng)過(guò)次應(yīng)力循環(huán)材料吸收的功，且材料經(jīng)過(guò)次應(yīng)力循環(huán)后破壞，則：（4.2）在材料破壞時(shí)有：（4.3）由公式（4.1）-（4.3）可知：（4.4）由式子（4.4）可寫成：（5.5）此外，還有一些其他線性疲勞累積損傷理論。表4-1給出了一些常用的線性理論，并詳細(xì)介紹了各個(gè)理論的具體用法。表4-1線性疲勞累積損傷理論作者累積損傷模型材料參數(shù)PalmgrenMiner損傷定義破壞準(zhǔn)則Lundberg損傷定義破壞準(zhǔn)則shanleg損傷定義破壞準(zhǔn)則nGrover損傷定義破壞準(zhǔn)則2．名義應(yīng)力法名義應(yīng)力法就是從材料的S?N（如圖4-2）曲線出發(fā)，考慮構(gòu)件的表面質(zhì)量狀況、尺寸等諸多因素對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)部位進(jìn)行的疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命計(jì)算[19]。（1）在靜力強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，確定了結(jié)構(gòu)疲勞破壞的可能位置（2）計(jì)算危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力，確定應(yīng)力集中系數(shù)（3）危險(xiǎn)部分的名義應(yīng)力譜由載荷譜決定（4）根據(jù)疲勞損傷累積理論，對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)件的疲勞壽命進(jìn)行了估算圖4-2S-N疲勞曲線ANSYS疲勞模擬分析1.ANSYS疲勞分析的基本步驟：（1）輸入后置處理器POST1，還原數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）規(guī)模的疲勞性能，疲勞計(jì)算的建立，材料和疲勞計(jì)算的位置，需要包括：定義的位置的最大數(shù)目，事件和荷載；材料疲勞性能的定義；定義材料的疲勞性質(zhì)；定義應(yīng)力位置和應(yīng)力集中系數(shù)。（3）存儲(chǔ)壓力，指定事件數(shù)、周期和比例因子。ANSYS采用雨流計(jì)數(shù)法，自動(dòng)計(jì)算所有可能的應(yīng)力范圍。(4)激活疲勞計(jì)算(5)查看計(jì)算結(jié)果4.4本章小結(jié)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，葉輪和風(fēng)荷載不斷沖擊塔架，使風(fēng)機(jī)在正常工況和極限載荷作用下產(chǎn)生疲勞損傷。本文對(duì)風(fēng)機(jī)額定使用壽命范圍內(nèi)，外載荷大約對(duì)塔架沖擊61.6×10次。由計(jì)算可以知塔架的疲勞壽命系數(shù)D=0.82464<1，那么塔架滿足疲勞設(shè)計(jì)要。

第五章結(jié)論與展望因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，而且因?yàn)槿~片的各向異性復(fù)合，即使到了今天，風(fēng)機(jī)的回應(yīng)與運(yùn)行對(duì)氣動(dòng)性能的影響，仍然是葉片氣動(dòng)問(wèn)題的關(guān)鍵和難點(diǎn)問(wèn)題。風(fēng)機(jī)葉片的使用壽命在很大程度上取決于疲勞壽命，因此對(duì)其疲勞壽命的分析具有重要意義。各章的主要內(nèi)容如下：第一章介紹了選題的背景和意義。在此背景下，主要介紹了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、風(fēng)力機(jī)及其葉片、復(fù)合材料疲勞等相關(guān)內(nèi)容。其次，闡述了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)葉片疲勞分析的現(xiàn)狀。最后，對(duì)本文所做的工作做了簡(jiǎn)要的介紹。第二章主要介紹了風(fēng)力機(jī)的組成結(jié)構(gòu)以及它的理論分析，引出了有限元分析軟件的由來(lái)，通過(guò)ANSYS進(jìn)行有限單元的研究。第三章是本文的重點(diǎn)部分，利用ANSYS軟件對(duì)風(fēng)電塔架進(jìn)行建模，然后對(duì)風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算和比較，重點(diǎn)研究了工作風(fēng)速范圍、湍流風(fēng)的作用、平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)的不同負(fù)荷。第四章主要應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)塔筒進(jìn)行疲勞壽命分析的驗(yàn)證，分析了疲勞破壞的幾種形式；確定了疲勞分析選用的S-N曲線。第五章為全文的總結(jié)與展望。本文采用ANSYS軟件將其應(yīng)用于計(jì)算缸頂荷載值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值時(shí)，指數(shù)函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算在不同的周期下應(yīng)采用單刃力作用下。據(jù)推測(cè)，對(duì)應(yīng)于每個(gè)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)的百分比對(duì)應(yīng)于每個(gè)風(fēng)速在葉片的整個(gè)生命周期的分布。最后，根據(jù)Miner線性累積損傷法則，就可以計(jì)算塔架疲勞壽命。影響疲勞計(jì)算的主要因素如下：（1）由于風(fēng)電機(jī)組負(fù)荷分析的簡(jiǎn)化，實(shí)際工作運(yùn)行中的負(fù)荷要復(fù)雜得多，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)壽命的增加；（2）只考慮正常工作條件，不考慮正常停機(jī)、緊急停車、啟動(dòng)、怠速、停機(jī)等；（3）S-N曲線中參數(shù)的選取會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響；（4）Miner法則沒(méi)有考慮加載次序的影響；線性累積損傷計(jì)算，無(wú)應(yīng)力作用在生命周期的疲勞極限以下，實(shí)際上造成一定程度的物質(zhì)損失，降低使用壽命，且低于疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)中所占比例很高的總周期.然而，到目前為止，風(fēng)電塔壽命預(yù)測(cè)大多采用Miner規(guī)則，因此需要更合理的FRP葉片疲勞累積損傷理論，需要進(jìn)一步研究。為了計(jì)算疲勞極限下的應(yīng)力循環(huán)引起的損傷，必須修正疲勞性能曲線。如果原來(lái)的S-N曲線的斜率延伸到疲勞極限較低的部分，這可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)于保守的計(jì)算。怎樣才能更好地糾正這種方法引起的誤差需要我們進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)[1]遲遠(yuǎn)英，張少杰，李京問(wèn).國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)