《基于ANSYS的垂直轴风力机塔架的力学性能分析及优化》VIP专享VIP免费

基于ANSYS的垂直轴风力机塔架的力学分析及优化王印军摘要:基于ANSYS对大型垂直轴风力机塔架进行静态学分析、动力学分析及结构优化。首先根据风力机的功率确定塔架的大体尺寸，然后对塔架进行静力分析，并对塔架承受最大载荷时的最大应变进行强度校核；动力学分析包括有预应力的模态分析、地震谱响应分析。ANSYS优化通过改变塔架的厚度使其固有频率增大，从而避免因塔架在发电机的激励下共振产生的破坏。通过对塔架的力学分析确保了塔架性能的可靠性，为塔架的安全性提供了理论依据，并且在满足力学性能的前提下使塔架的质量最轻，降低了塔架的制造成本关键词:垂直轴风力机塔架；静力学分析；动力学分析；地震谱响应分析；结构优化中图分类号:TK83文献标志码:A文章编号：MechanicalPerformanceAnalysisandStructureOptimizationofTowerofVerticalAxisWindTurbineBasedonANSYSWANGYinjunAbstract:Staticsanalysis,dynamicsanalysisandstructuraloptimizationoflargetowerofverticalaxiswindturbinewerepresentedbasedonANSYS.Firstofall,accordingtothepowerofthewindgeneratorsthesizeofthetowerwasdetermined.Andthenstaticsanalysisforthetowerwascarriedout.Andthestrengthcheckforthemaximumstrainofthetowerwasdiscussedunderthemaximumload.Dynamicsanalysisincludingprestressedmodalanalysis,seismicresponsespectrumanalysiswasperformed.UsingANSYSoptimizationbychangingthethicknessofthetoweroftheinherentfrequencyincreases,soastoavoidthegeneratorfortowerundertheexcitationofresonanceproduceddamage.Throughtothemechanicalanalysisofthetowertoensurethereliabilityofthetoweroftheperformanceforthesafetyofthetower,toprovidethetheoreticalbasisforthemechanicalproperties,andmakethequalityofthetowerofthelightestinmeetthepremiseofmechanicalproperties,reducethetowerofmanufacturingcost.Keywords:towerofverticalaxiswindturbine;staticsanalysis;dynamicsanalysis;seismseismicresponsespectrumanalysis;structuraloptimization风能资源主要集中在50m以上的高空，大容量的风力机机组便于大规模风能的开发利用因此大功率的风机具有很好的发展前景。结构振动导致的材料疲劳是塔架损坏的主要原因之一，振动还会产生噪音，影响周围环境，所以塔架的力学分析对于研究风力机的安全可靠性能具有重要的意义。目前，对风力机的研究大都集中在叶片、发动机性能等的研究上，对于塔架的研究很少，尤其是针对大型塔架的研究更为少见[1]，垂直轴风力塔架的分析在国内尚未见报道。本研究在水平轴风力机塔架分析的基础上，根据垂直轴风力机的实际受力对塔架进行加力并分析，为大型垂直轴的风力机塔架的制造提供了理论依据。首先对垂直轴风力机塔架的模型尺寸进行计算与建模，接着对模型加载载荷进行静态的受力分析，在受力的情况下对模型进行有预应力的模态分析，得到塔架的前6阶模态及振型。在模态的基础上，加载模拟的地震频率波动进行谱分析，最后针对塔架模型进行结构优化。1垂直轴风力机塔架的计算模型垂直轴风力机塔架的受力与水平轴有很大不同，扭矩的方同，垂直轴的塔架的扭矩是垂直地面的，水平轴的是平行于地面，还有塔架上风压的计算方式不一样。大型风力机组大都采用圆锥形塔柱，本研究分析的是1MW的垂直轴风力机的塔柱，根据《高耸机构设计规范》GB50135-2006，选择塔柱的尺寸如图1所示：塔高H=70m，底外径D=4.5m，顶外径D=3m，底端壁厚B=30mm，顶端壁厚B=20mm，底座长L=0.5m，材料为Q345钢，材料弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比µ=0.3，密度ρ=7.850×103kg/m3,许用强度σ=237MPa，许用抗拉强度σ=425MPa。此塔架为变截面的锥形圆锥体，由于底端是固定的，可以看成悬臂梁结构，塔架的主要载荷有风的水平推力F，机舱、叶片和轮毂的重力G，塔架的自重G，轮毂的扭矩M等，作用在塔上的载荷共5种，受力简图如图2所示。1.1塔架产生的主要载荷1）风轮的水平推力。(1)式中：ρ—空气密度，1.293kg/m3；V—风速,定为30m/s；A—风轮的扫风面积，取1700m2；C—...