基于MW级风力发电机塔架的有限元分析

讨论了MW级风力机塔架的有限元静力及稳定性建模分析和有限单元类型的选取及计算方法,并以1.5MW某风力发电机塔架为例,对风力发电机塔架结构进行了静力分析和稳定性分析.得出塔的截面按照变截面来进行设计是合理的,分段式塔架是一种合理的结构,各段塔架所受应力不等;塔架稳定性取决于其一阶屈曲临界载荷,荷载作用下塔架的应力最大处并不一定就是其屈曲薄弱点,而应力较大且挠度较大的薄壁部位,是发生屈曲失稳的危险点.     

大型风力机塔架的模态与强度分析

针对大型风力机运行中塔架常见的倾斜、中间凸出、焊缝开裂等故障,利用ANSYS有限元分析软件和工程算法对其结构进行了动力特性、屈曲分析和焊缝的分析。通过塔架模态分析可以优化塔架设计,避免风机在正常工作时塔架与风轮发生共振;屈曲和焊缝分析能够保证塔架的刚度和强度满足极限工况的负荷要求,从而为塔架的结构设计提供最佳参数依据。     

水平轴风力机塔架在不同工况下的模态分析

以1.5 MW风力机塔架为研究对象,通过对塔架结构的合理简化假设,利用ANSYS建立塔架的有限元模型,对塔架在有无基础、有无门洞4种工况条件下进行模态分析。对比分析门洞和基础对塔架固有频率和振型的影响,为下一步研究奠定基础。     

海上超大型风力机结构动力学响应及稳定性研究

为研究不同运行方式对湍流风及地震作用下海上风力机动力学响应及稳定性影响,以DTU 10 MW海上单桩式风力机为研究对象,采用p-y曲线描述桩基与海底土壤之间的相互作用,基于有限元软件Ansys建立风力机有限元模型,并对其进行结构模态、动力学及屈曲分析.结果 表明:塔架模态振型以扭转和弯曲振动为主,其一阶固有频率介于理想...     

基于Comsol Multiphysics的海上风力机塔架模态分析

塔架是风力机的主要支撑装置,鉴于海上特殊的工作环境,塔架振动在所难免。以海上3MW风力机塔架为对象,应用有限元分析软件Comsol Multiphysics对其进行模态分析,除了考虑叶轮激励频率的影响外,还要研究波浪频率对塔架的影响,通过求解有限元特征方程,得到前六阶固有频率及振型,确定引起塔架与外部激励共振主要取决于塔架的低阶频率;摆振是风力机塔架的主要振动,造成塔架顶端振幅较大。通过进行模态分析,为塔架设计、安全运行和结构动力学分析提供更可靠的理论依据。     

风力机塔架模态分析及应用

以某大型风力机塔架为例,对塔架进行了动力特性计算,利用ANSYS有限元软件完成建模和模态分析,分析中考虑了塔顶上方机舱总质量、塔底基础质量及塔架基础约束刚度的影响;计算结果表明塔架与叶轮不会发生共振,为塔架安全运营和进一步研究风力机塔架的结构动力学分析提供了依据.     

基于有限元法水平轴风力发电机塔架的静态分析

利用有限元方法并借助于有限元分析计算软件对塔架进行静强度分析,精确地计算出在极限载荷情况下塔架的应力应变及位移状况,并且验证了塔架同时满足强度和刚度要求,为风力机塔架的结构动态设计提供有效的理论依据。     

某雷达薄壁升降塔抗屈曲优化设计

采用有限元法对某雷达薄壁升降塔系统的屈曲问题进行了分析,针对底部塔架抗屈曲能力弱的问题,基于多学科优化软件Isight和有限元分析工具ANSYS建立了优化模型,采用多岛遗传算法对其进行了优化,并对比分析了优化前后塔架结构的抗屈曲能力和刚强度变化,结果表明,在保证结构刚强度基本不变的前提下,优化后底部塔架的抗屈曲能力提高了26%。     

海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应数值分析

分析海上风力机塔架复杂的外界载荷工况,研究海上风力机圆筒形塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。研究作用在圆筒形塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;应用线性波理论来仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒形塔架上的波浪载荷,通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,相应地,将平面的莫里森(MORISON)波浪力系发展成空间力系,建立波浪力的分析计算模型,以适应三维空间的分析和计算;编制非规则线性波浪力分析程序。用有限元数值分析方法,将圆筒形塔架用空间梁单元建模,求解塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等。针对一台1.5 MW海上风力机塔架动力响应分析的算例表明：为整个海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供实用的分析方法。     

风力机塔架的动力学CAE分析系统开发

基于有限单元法,利用VC开发了ANSYS平台下的风力机塔架的有限元建模和动力学分析系统.在VC程序中使用APDL语言封装ANSYS,由系统生成的APDL数据文件直接驱动ANSYS进行塔架的动力学性能分析.通过和风力机全系统载荷分析及优化设计软件的集成,实现了从风场计算、气动载荷计算到结构动力学分析的一体化.计算结果的对比分析表明,本软件的计算模型正确,能很好的用于风力机总体设计过程中对塔架结构的动力学分析.     

基于混合仿生设计的风力机塔架

本文为风力机塔架的混合仿生设计提供了一种方法。为提高风力机机组整体安全性，基于混合仿生设计方法，提取竹子竹节和问荆草茎截面特征，构造了由外塔筒、内塔筒、法兰盘（加强节）和加强肋板组成的两种仿生塔架（FS1和FS2）。运用ANSYS Workbench软件对比研究原型塔架和两种仿生塔架的静动态性能和屈曲稳定性。结果表明：内塔筒为圆形的FS1塔架力学性能更好。与原型塔架相比，FS1塔顶最大位移和门洞附近的最大等效应力分别降低了17.6%和23.83%,1阶固有频率和1阶临界屈曲载荷分别提高了5.2%和23.12%，充分证明仿生塔架FS1具有更好的抗弯性能和稳定性。     

风力机塔架瞬态响应分析

风力机累积装机容量增长,单机容量变大,使得风力机塔架瞬态响应更加突出。为分析风力机塔架的瞬态响应,利用二节点3D Timoshenko梁对塔架进行了有限元离散化建模,考虑塔架的剪切效应,重力钢化效应,分析了塔架振动的固有属性。建立了塔架动力学运动方程,分析了塔架所受的时变载荷。以某型1.5MW风力机的三种塔架(刚性、柔性、混合式)作为算例,分别计算了这三种塔架在阵风与电网电压发生跌落时所受的时变载荷,考虑了风轮的气动阻尼,利用模态叠加法与Newmark积分法求解塔架动力学方程得到塔架的瞬态响应。结果表明,阵风与电网电压跌落都会对塔架产生冲击效应,尤其是塔架前后方向,影响机组的稳定运行,其中混合式塔架的冲击位移最小。     

柔性支承下风力机齿轮传动系统非线性动力学分析

针对大型风力机塔架的柔性支承特性及其对风力机齿轮传动系统动态性能的影响,运用振动力学理论建立包含塔架刚度、时变啮合刚度、啮合阻尼和齿侧间隙等因素风力机齿轮传动系统的非线性动力学模型,基于4-5阶变步长龙格库塔对系统的无量纲非线性动力学进行求解,研究柔性支承下的风力机齿轮系统的振动特性。通过对目前国内1.5MW主流风力机齿轮系统进行实例分析,得到风力机在风载荷作用下塔架和风力机齿轮传动系统的二级平行轴斜齿轮传动系统的动力学特性。分析结果表明,在风载荷作用下,柔性支承下的风力机齿轮系统振动更加剧烈;竖直风力机塔架刚度减小,风力机齿轮相对扭转振动响应由倍周期分岔进入混沌运动。     

柔性支承下风力机行星齿轮系统的动态特性分析

由于风力发电机齿轮箱安装在柔性支承的塔架上,在复杂的工况下风力发电机塔架将产生弯曲摆动,严重影响着风力机齿轮传动系统的动态特性。考虑了风力机塔架的摆动与行星轮传动扭转振动的耦合效应,利用集中参数法建立柔性支承下的风力机行星轮传动系统的动力学分析模型,用Matlab进行数值求解。通过对国内1.5 MW主流风力机行星齿轮系统进行实例分析,得到了16 s时序随机风载下的行星齿轮系统各部件的位移历程。结果表明:在风力机运行中塔架产生剧烈振动,风力机塔架的振动加剧了风力机行星齿轮系统各部件的振动,在风力机行星齿轮设计时必须考虑塔架的柔性特性对风力机的影响。     

风力机概念设计阶段塔架结构的可靠性设计

为解决风力机设计过程中研发周期长、潜在隐患多、风险大、成本高等问题,将概念设计可靠性设计方法运用到风力机塔架设计中。在概念设计阶段,通过概算的方法建立了塔架的可靠性数学模型,对其进行了受力分析、失效模式分析,并进行了参数化优化;以风力机塔架总体积以及塔架装机成本最小化为设计目标,在风力机塔架可靠性优化设计模型上对某型号1.5 MW风力机塔架进行了评价。研究结果表明,通过采用可靠性设计优化方法,一方面可以在保证塔架强度、刚度、稳定性基本不受影响的情况下,减小风力机塔架的壁厚,从而缩减塔架的总体积,在一定程度上减少塔架的成本;另一方面,塔架成本随着塔架下端外径的增加而降低。     

风力发电机组塔筒门框段屈曲分析

塔筒屈曲稳定性分析是保证风力发电机组安全的重要一环。塔筒门段部分形状不规则,存在门洞缺口效应,应力状态比较复杂。因此采用有限元方法计算了有门框塔筒门段模型、无门框塔筒门段模型,获得修正系数,再结合GL规范和DIN 18800-4对塔架进行屈曲计算,校核塔筒门框段的屈曲稳定性。以实例计算了塔筒门段的屈曲,并给出了结论,验证了分析方法的正确性。     

风力机塔架结构仿生设计及力学性能分析

针对柔性化发展以及随之而来的高耸结构稳定性问题,对结构仿生理论在风力机塔架设计中的应用进行了研究。选取竹子为生物原型,基于层次分析法计算出竹子与塔架具有较高的相似度,验证生物选型的合理性。在此基础上,提取竹子的节状特征应用于风力机塔架的结构,设计具有加强节特征的仿生塔架,并采用有限元方法对仿生设计前后的塔架结构力学性能进行对比分析。结果表明:具有5个加强节的仿生塔架较原型塔架在刚度和极限承载能力等方面均得到提高,应力分布特点更加合理。验证了仿生理论在塔架设计中的有效性,为风力机塔架的结构设计提供了新方法。     

基于TMD控制的风力机结构抗震研究

湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制,以NREL 5 MW风力机为研究对象,通过Wolf方法建立土-构耦合模型,基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块,通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明:地震载荷极大加剧了塔架侧向振动,激振频率为塔架一阶侧向固有频率;TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小,其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%,标准差减小了67%,塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低,高达90%;塔顶侧向加速度变化幅度降低4%,标准差缩小了61%,塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明,TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制,提高风力机运行稳定性。     

水平轴风力发电机塔架的有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS对某型风力发电机塔架为研究对象,建立其有限元模型,对其进行静力分析,模态以及屈曲分析。得出塔架整体结构满足强度要求,不会出现失稳现象,门洞处需要采取加固措施,风机正常工作下不会发生共振现象。     

大型风力机塔架的静动态分析

基于有限元理论进行了600 kW风力机塔架的静动态分析。根据塔架的力学特性,首先讨论了模型的简化、载荷的计算和边界条件等问题。在静态分析中主要讨论了塔架在有无门洞时各种工况下的承载能力。在动态分析中,为了研究地基对结构的影响,假定在硬地基和弹性地基情况下,研究了塔架的前六阶频率和模态以及机舱和叶轮对塔架频率的影响。并对以上结果进行了对比,得出各种模型对分析结果的影响,为进一步研究奠定了基础。