5M風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析說(shuō)明書
5M風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析說(shuō)明書,風(fēng)力發(fā)電機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有限元分析,說(shuō)明書,仿單
1、 設(shè)計(jì)或研究主要內(nèi)容。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的建模：基于Pro/E的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)安全可靠又經(jīng)濟(jì)的塔架。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的有限元分析：利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體強(qiáng)度、門段強(qiáng)度、模態(tài)以及屈曲分析,其中門段細(xì)節(jié)分析主要針對(duì)門洞附近應(yīng)力集中進(jìn)行討論;計(jì)算塔架在Ⅱ類風(fēng)場(chǎng)極限載荷作用下的最大應(yīng)力、動(dòng)力特性和屈曲載荷。
摘要
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×10^9MW，其中可利用的風(fēng)能為2×10^7MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)很早就被人們利用--主要是通過風(fēng)車來(lái)抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來(lái)發(fā)電。利用風(fēng)力發(fā)電的嘗試，早在二十世紀(jì)初就已經(jīng)開始了。三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國(guó)應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。這種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，廣泛在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村使用，它所獲得的電力成本比小型內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電成本低得多。不過，當(dāng)時(shí)的發(fā)電量較低，大都在5千瓦以下。目前，據(jù)了解，國(guó)外已產(chǎn)出15-225千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)了。1978年1月，美國(guó)在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成的200千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其葉片直徑為38米，發(fā)電量足夠60戶居民用電。而1978年初夏，在丹麥日德蘭半島西海岸投入運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電裝置，其發(fā)電量則達(dá)2000千瓦，風(fēng)車高57米，所發(fā)電量的75%送入電網(wǎng)，其余供給附近的一所學(xué)校用。1979年上半年，美國(guó)在北卡羅來(lái)納州的藍(lán)嶺山，又建成了一座世界上最大的發(fā)電用的風(fēng)車。這個(gè)風(fēng)車有十層樓高，風(fēng)車鋼葉片的直徑60米；葉片安裝在一個(gè)塔型建筑物上，因此風(fēng)車可自由轉(zhuǎn)動(dòng)并從任何一個(gè)方向獲得電力；風(fēng)力時(shí)速在38公里以上時(shí)，發(fā)電能力也可達(dá)2000千瓦。由于這個(gè)丘陵地區(qū)的平均風(fēng)力時(shí)速只有29公里，因此風(fēng)車不能全部運(yùn)動(dòng)。據(jù)估計(jì)，即使全年只有一半時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，它就能夠滿足北卡羅來(lái)納州七個(gè)縣1%到2%的用電需要。
Abstract
Wind energy as a clean and?renewable energy,?more and?more attention around the world.?The?implication?is huge,global wind energy is about?2.74 × 10^9MW,?which can make use of wind energy?is 2 × 10^7MW,?than on earth, development and utilization of water quantity is 10 times bigger.?The wind has long been used by people -- mainly by windmills to pump water,?grinding surface and so on,?and now,?people were interested in how to use the wind to generate electricity.?The attempt of wind power generation, in early twentieth Century started.?In thirty, Denmark,Sweden,?the Soviet Union and America application in aviation industry rotor technology,?successfully developed anumber of small wind power generation device.?The small wind generators,?widely used in the island and remote rural areas,?the cost of electricity it was than the generation cost much lower small internal combustion engine.However,?when generating capacity is relatively low,?mostly below 5 kw.
At present,?it is understood,?foreign?has produced?15,?40,?45100225 kW wind turbine.?In 1978?January,?200 kW?wind turbine?America?built?in New Mexico,?the town of Clayton,?the?blade diameter of 38?meters,?will generate enoughelectricity?for 60?households.?And?in the summer of 1978,?in the?wind power generation device?Denmark?Jutland Peninsula?west coast?put into operation,?its?generating capacity is?2000 kW,?the windmill?is 57 meters high,?thegenerating capacity of 75%?into the power grid,?the?supply of?a school?near the.
The first half of 1979,?in?the Blue Ridge Mountains of?North Carolina?America,?and built the?windmill is?the world's largest?electricity generating.?The?windmill?is ten storey high,?windmill?steel?blade?diameter of 60 meters;?leaf blademounted on a?tower?building,?the?windmill?can rotate freely and?get?power?from any?one direction;?the wind?speed at 38 km,?generating capacity?up to 2000?kw.?The?average wind speed of?the?hilly?area?is only 29?kilometers,?so?not all sports windmill.?According to estimates,?even if the whole year?only?half the time?running,?it can?meet the sevenCounty,?North Carolina,?1% to?2% of the?electricity needs.
Keywords:?wind power,?energy,?windmill,?a tower
目錄
一，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的背景 2
1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀 2
1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的研究 3
二，設(shè)計(jì)方法 4
2.1塔架的計(jì)思路 4
2.2材料的選用 5
2.3塔架模型proe建模 5
三，有限元分析 6
3.1有限元介紹 6
3.1.1靜力分析概念 6
3.1.2模態(tài)分析介紹 7
用處 7
3.1.3屈曲分析原理 8
3.2模型有限元分析 8
3.2.1靜力分析 8
3.2.2模態(tài)分析 13
3.2.3屈曲分析 17
四，總結(jié) 18
五，致謝 19
六，參考文獻(xiàn) 19
一，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的背景
1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀
風(fēng)很早就被人們利用--主要是通過風(fēng)車來(lái)抽水、磨面……。現(xiàn)在，人們感興趣的，首先是如何利用風(fēng)來(lái)發(fā)電。風(fēng)是一種潛力很大的新能源，人們也許還記得，十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國(guó)的一次狂暴大風(fēng)，吹毀了四百座風(fēng)力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并有數(shù)千人受到傷害，二十五萬(wàn)株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風(fēng)在數(shù)秒鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬(wàn)馬力(即750萬(wàn)千瓦；一馬力等于0．75千瓦)的功率!有人估計(jì)過，地球上可用來(lái)發(fā)電的風(fēng)力資源約有100億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界水力發(fā)電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風(fēng)力在一年內(nèi)所提供能量的三分之一。因此，國(guó)內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來(lái)發(fā)電，開發(fā)新能源。
把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械動(dòng)能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電力動(dòng)能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三米的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電不需要使用燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。
風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大體上可分風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分。（大型風(fēng)力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才會(huì)擁有尾舵）
風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的重要部件，它由兩只(或更多只)螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向漿葉時(shí)，槳葉上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。槳葉的材料要求強(qiáng)度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復(fù)合材料(如碳纖維)來(lái)制造。（現(xiàn)在還有一些垂直風(fēng)輪，s型旋轉(zhuǎn)葉片等，其作用也與常規(guī)螺旋槳型葉片相同）
由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小和方向經(jīng)常變化著，這又使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；所以，在帶動(dòng)發(fā)電機(jī)之前，還必須附加一個(gè)把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機(jī)上。為保持風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向以獲得最大的功率，還需在風(fēng)輪的后面裝一個(gè)類似風(fēng)向標(biāo)的尾舵。
鐵塔是支承風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機(jī)的構(gòu)架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風(fēng)力，又要有足夠的強(qiáng)度。鐵塔高度視地面障礙物對(duì)風(fēng)速影響的情況，以及風(fēng)輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內(nèi)。
發(fā)電機(jī)的作用，是把由風(fēng)輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過升速傳遞給發(fā)電機(jī)構(gòu)均勻運(yùn)轉(zhuǎn)，因而把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?
風(fēng)力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國(guó)家很流行；中國(guó)也在西部地區(qū)大力提倡。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個(gè)發(fā)電機(jī)頭組成的，而是一個(gè)有一定科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+充電器+數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來(lái)接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對(duì)著來(lái)風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。
一般說(shuō)來(lái)，三級(jí)風(fēng)就有利用的價(jià)值。但從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，風(fēng)速大于每秒4米才適宜于發(fā)電。據(jù)測(cè)定，一臺(tái)55千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速為每秒9.5米時(shí)，機(jī)組的輸出功率為55千瓦；當(dāng)風(fēng)速每秒8米時(shí)，功率為38千瓦；風(fēng)速每秒6米時(shí)，只有16千瓦；而風(fēng)速每秒5米時(shí)，僅為9.5千瓦。可見風(fēng)力愈大，經(jīng)濟(jì)效益也愈大。
在我國(guó)，現(xiàn)在已有不少成功的中、小型風(fēng)力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。
我國(guó)的風(fēng)力資源極為豐富，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風(fēng)速更大；有的地方，一年三分之一以上的時(shí)間都是大風(fēng)天。在這些地區(qū)，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是很有前途的。
1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的研究
風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵核心
風(fēng)力機(jī)部件，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。我國(guó)風(fēng)機(jī)葉片行業(yè)的發(fā)展是伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及風(fēng)電設(shè)備行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。由于起步較晚，我國(guó)風(fēng)機(jī)葉片最初主要是依靠進(jìn)口來(lái)滿足市場(chǎng)需求的。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)和科研院所的共同努力，我國(guó)風(fēng)機(jī)葉片行業(yè)的供給能力迅速提升。
風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)介紹
我國(guó)風(fēng)機(jī)葉片市場(chǎng)已經(jīng)形成外資企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)、研究院所、上市公司等多元化的主體投資形式。外資企業(yè)主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等，國(guó)內(nèi)企業(yè)以時(shí)代新材、中材科技、中航惠騰、中復(fù)連眾為代表。截至到2008年5月，中國(guó)境內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組葉片廠商共有31家。其中，已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段的公司有10家。2008年，已經(jīng)批量生產(chǎn)的葉片公司生產(chǎn)能力為460萬(wàn)千瓦。預(yù)計(jì)2010年，這些葉片公司全部進(jìn)入批量生產(chǎn)階段后，綜合生產(chǎn)能力將達(dá)到900萬(wàn)千瓦。
風(fēng)速及風(fēng)向的變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量有著較大的影響，通常，塔架越高，風(fēng)速越大，氣流越平穩(wěn)，發(fā)電量越大。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選址應(yīng)慎重考慮，每一次安裝都不同，而且要考慮塔筒高、電池組的距離、當(dāng)?shù)匾?guī)劃要求以及建筑和樹木這些障礙物等因素。風(fēng)機(jī)安裝與選址具體要求如下：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組推薦的最小塔高是8米或距離障礙物5米以上安裝范圍中心的100m范圍之內(nèi)盡量沒有障礙物；
相鄰兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的安裝應(yīng)保持在8~10倍風(fēng)輪直徑的距離；風(fēng)機(jī)選址應(yīng)避開紊流。選擇年平均風(fēng)速較大的地區(qū)，具有較穩(wěn)定的盛行風(fēng)向，且風(fēng)速的日變化與季變化?。?
風(fēng)機(jī)高度范圍內(nèi)的垂直方向的風(fēng)速切變要??；選擇盡可能少的自然災(zāi)害的地方；
選擇安裝位置時(shí)安全是首要關(guān)注的。因此，即使是在一個(gè)風(fēng)速資源較不理想的地方安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，安裝時(shí)風(fēng)輪葉片不得旋轉(zhuǎn)。[1]
二，設(shè)計(jì)方法
2.1塔架的計(jì)思路
圖1-2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、齒輪箱、聯(lián)軸器、偏航系統(tǒng)、剎車結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架與調(diào)速調(diào)向裝置構(gòu)成。如圖1-2所示。分為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（100W-1kW）、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1kW-100kW）、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（100kW-1000kW）和特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1000kW以上）。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能也可以利用很多方式儲(chǔ)存起來(lái)。例如，蓄電池儲(chǔ)存風(fēng)電電能，電解水儲(chǔ)存風(fēng)電電能，水庫(kù)儲(chǔ)存風(fēng)電電能，壓縮空氣儲(chǔ)存風(fēng)電電能，飛輪儲(chǔ)存風(fēng)電電能，超導(dǎo)儲(chǔ)能和電網(wǎng)儲(chǔ)存電能。此外，利用電力電子整流/逆變技術(shù)也可以將電能直接通過并網(wǎng)的方式進(jìn)行供電。
2.2材料的選用
材料的選取尤其重要,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過程中遇到很大的風(fēng)力,形成巨大的負(fù)載,這需要塔架能承受巨大復(fù)雜的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作,所以應(yīng)選擇剛度較好的材料,查手冊(cè)如下:
選擇304不銹鋼作為材料,因其是面試用比較多,比較容易獲取.價(jià)格也合理.能夠經(jīng)受惡劣的室外環(huán)境.所以這是比較理想的材料.
2.3塔架模型proe建模
Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的軟件名稱，但在中國(guó)用戶所使用的名稱中，并存著多個(gè)說(shuō)法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer軟件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指軟件的版本。
根據(jù)某一塔架的參數(shù)建模
Proe軟件建模如下:
三，有限元分析
3.1有限元介紹
在數(shù)學(xué)中，有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求得偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)。它通過變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。類比于連接多段微小直線逼近圓的思想，有限元法包含了一切可能的方法，這些方法將許多被稱為有限元的小區(qū)域上的簡(jiǎn)單方程聯(lián)系起來(lái)，并用其去估計(jì)更大區(qū)域上的復(fù)雜方程。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
3.1.1靜力分析概念
靜力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究物體在力的作用下處于平衡的規(guī)律，以及如何建立各種力系的平衡條件。平衡是物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特殊形式，嚴(yán)格地說(shuō)，物體相對(duì)于慣性參照系處于靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，即加速度為零的狀態(tài)都稱為平衡。對(duì)于一般工程問題，平衡狀態(tài)是以地球?yàn)閰⒄障荡_定的。靜力學(xué)還研究力系的簡(jiǎn)化和物體受力分析的基本方法。靜力學(xué)（statics）研究物體的平衡或力系的平衡的規(guī)律的力學(xué)分支。
靜力學(xué)一詞是P·伐里農(nóng)1725年引入的。按照研究方法，靜力學(xué)分為分析靜力學(xué)和幾何靜力學(xué)。分析靜力學(xué)研究任意質(zhì)點(diǎn)系的平衡問題，給出質(zhì)點(diǎn)系平衡的充分必要條件(見虛位移原理)。幾何靜力學(xué)主要研究剛體的平衡規(guī)律，得出剛體平衡的充分必要條件，又稱剛體靜力學(xué)。幾何靜力學(xué)從靜力學(xué)公理（包括二力平衡公理，增減平衡力系公理，力的平行四邊形法則，作用和反作用定律，剛化公理）出發(fā)，通過推理得出平衡力系應(yīng)滿足的條件，即平衡條件；用數(shù)學(xué)方程表示，就構(gòu)成平衡方程。靜力學(xué)中關(guān)于力系簡(jiǎn)化和物體受力分析的結(jié)論，也可應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)。借助達(dá)朗貝爾原理，可將動(dòng)力學(xué)問題化為靜力學(xué)問題的形式。靜力學(xué)是材料力學(xué)和其他各種工程力學(xué)的基礎(chǔ)，在土建工程和機(jī)械設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用。
靜力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究物體在力的作用下處于平衡的規(guī)律，以及如何建立各種力系的平衡條件。
平衡是物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特殊形式，嚴(yán)格地說(shuō)，物體相對(duì)于慣性參照系處于靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，即加速度為零的狀態(tài)都稱為平衡。對(duì)于一般工程問題，平衡狀態(tài)是以地球?yàn)閰⒄障荡_定的。靜力學(xué)還研究力系的簡(jiǎn)化和物體受力分析的基本方法。
3.1.2模態(tài)分析介紹
模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。這個(gè)分析過程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析
振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。
機(jī)器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實(shí)際振動(dòng)千姿百態(tài)、瞬息變化。模態(tài)分析提供了研究各類振動(dòng)特性的一條有效途徑。首先，將結(jié)構(gòu)物在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行人為激振，通過測(cè)量激振力與響應(yīng)并進(jìn)行雙通道快速傅里葉變換（FFT）分析，得到任意兩點(diǎn)之間的機(jī)械導(dǎo)納函數(shù)（傳遞函數(shù)）。用模態(tài)分析理論通過對(duì)試驗(yàn)導(dǎo)納函數(shù)的曲線擬合，識(shí)別出結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)，從而建立起結(jié)構(gòu)物的模態(tài)模型。根據(jù)模態(tài)疊加原理，在已知各種載荷時(shí)間歷程的情況下，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)物的實(shí)際振動(dòng)的響應(yīng)歷程或響應(yīng)譜。
近十多年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、FFT分析儀、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及振動(dòng)傳感器、激勵(lì)器等技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到了很快的發(fā)展，受到了機(jī)械、電力、建筑、水利、航空、航天等許多產(chǎn)業(yè)部門的高度重視。已有多種檔次、各種原理的模態(tài)分析硬件與軟件問世。
模態(tài)分析的經(jīng)典定義：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。
用處
模態(tài)分析的最終目標(biāo)在是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：
1) 評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；
2) 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)；
3) 診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；
4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；
5) 識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。
3.1.3屈曲分析原理
屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷,屈曲分析包括：?線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩(wěn)分析又稱特征值屈曲分析； 線性屈曲分析可以考慮固定的預(yù)載荷，也可使用慣性釋放；非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩(wěn)分析， 彈塑性失穩(wěn)分析， 非線性后屈曲(Snap-through)分析。
歐拉屈曲 buckling
結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性稱作（結(jié)構(gòu)）屈曲或歐拉屈曲。
L.Euler從一端固支另一端自由的受壓理想柱出發(fā)．給出了壓桿的臨界載荷。所謂理想柱，是指起初完全平直而且承受中心壓力的受壓桿。設(shè)此柱是完全彈性的，且應(yīng)力不超過比例極限，若軸向外載荷P小于它的臨界值，此桿將保持直的狀態(tài)而只承受軸向壓縮。如果一個(gè)擾動(dòng)(如—橫向力)作用于桿，使其有一小的撓曲，在這一擾動(dòng)除去后。撓度就消失，桿又恢復(fù)到平衡狀態(tài)，此時(shí)桿的直的形式的彈性平衡是穩(wěn)定的。若軸向外載荷P大于它的臨界值，柱的直的平衡狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定，即任意擾動(dòng)產(chǎn)生的撓曲在擾動(dòng)除去后不僅不消失，而且還將繼續(xù)擴(kuò)大，直至達(dá)到遠(yuǎn)離直立狀態(tài)的新的平衡位置為止，或者彎折。此時(shí)，稱此壓桿失穩(wěn)或屈曲(歐拉屈曲)。
線性屈曲：是以小位移小應(yīng)變的線彈性理論為基礎(chǔ)的，分析中不考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)形的變化，也就是在外力施加的各個(gè)階段，總是在結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形上建立平衡方程。當(dāng)載荷達(dá)到某一臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)形將突然跳到另一個(gè)隨遇的平衡狀態(tài)，稱之為屈曲。臨界點(diǎn)之前稱為前屈曲,臨界點(diǎn)之后稱為后屈曲。
側(cè)扭屈曲：梁的截面一般都作成窄而高的形式，對(duì)截面兩主軸慣性矩相差很大。如梁跨度中部無(wú)側(cè)向支承或側(cè)向支承距離較大，在最大剛度主平面內(nèi)承受橫向荷載或彎矩作用時(shí)，荷裁達(dá)一定數(shù)值，梁截面可能產(chǎn)生側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致喪失承載能力，這種現(xiàn)象叫做梁的側(cè)向彎扭屈曲，簡(jiǎn)稱側(cè)扭屈曲。
理想軸向受壓直桿的彈性彎曲屈曲：即假定壓桿屈曲時(shí)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，只是沿主軸彎曲。但是對(duì)開口薄壁截面構(gòu)件，在壓力作用下有可能在扭轉(zhuǎn)變形或彎扭變形的情況下喪失穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為扭轉(zhuǎn)屈曲或彎扭屈曲。
3.2模型有限元分析
3.2.1靜力分析
將模型導(dǎo)入ansys軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析分如下步驟:
1,設(shè)置材料參數(shù):
選用304不銹鋼作為材料,需要設(shè)置材料的參數(shù)彈性模量2.1*10^11pa,泊松比為0.3
2,劃分網(wǎng)格
網(wǎng)格劃分如下圖:
網(wǎng)格劃分越詳細(xì)對(duì)結(jié)果精度越有利,但是這樣會(huì)造成模型網(wǎng)格數(shù)目巨大,分析時(shí)間加長(zhǎng),所以在滿足分析要求的情況下,盡可能的減少模型的網(wǎng)格數(shù)來(lái)提高效率.本次分析網(wǎng)格數(shù)如下圖所示:
接下來(lái)設(shè)置邊界條件,所謂邊界條件就是模型在工作過程中包含的約束,受力等參數(shù),在模型上表述出來(lái):設(shè)置的邊界條件如下圖:
設(shè)置完畢以后可以對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析:分析包括位移,最大主應(yīng)變,等效應(yīng)變,最大主應(yīng)力,等效應(yīng)力等,得到如下結(jié)果:
Deformation應(yīng)變圖
Equal strain 等效應(yīng)變圖
Max strain最大主應(yīng)變圖
Max stress最大主應(yīng)力圖
Equal stress等效應(yīng)力圖
門洞處主應(yīng)力
3.2.2模態(tài)分析
設(shè)置邊界以后對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析,本次分析總共分析了模型的六種模態(tài)振型,如下圖所示:
一階振型
二階振型
三階振型
四階振型
五階振型
六階振型
3.2.3屈曲分析
在完成模態(tài)分析之后加入歐拉屈曲 bucklingL.Euler從一端固支另一端自由的受壓理想柱出發(fā)．給出了壓桿的臨界載荷。所謂理想柱，是指起初完全平直而且承受中心壓力的受壓桿。設(shè)此柱是完全彈性的，且應(yīng)力不超過比例極限，若軸向外載荷P小于它的臨界值，此桿將保持直的狀態(tài)而只承受軸向壓縮。如果一個(gè)擾動(dòng)(如—橫向力)作用于桿，使其有一小的撓曲，在這一擾動(dòng)除去后。撓度就消失，桿又恢復(fù)到平橫狀態(tài)，此時(shí)桿的直的形式的彈性平衡是穩(wěn)定的。若軸向外載荷P大于它的臨界值，柱的直的平衡狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定，即任意擾動(dòng)產(chǎn)生的撓曲在擾動(dòng)除去后不僅不消失，而且還將繼續(xù)擴(kuò)大，直至達(dá)到遠(yuǎn)離直立狀態(tài)的新的平衡位置為止，或者彎折。此時(shí)，稱此壓桿失穩(wěn)或屈曲(歐拉屈曲)。線性屈曲：是以小位移小應(yīng)變的線彈性理論為基礎(chǔ)的，分析中不考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)形的變化，也就是在外力施加的各個(gè)階段，總是在結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形上建立平衡方程。當(dāng)載荷達(dá)到某一臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)形將突然跳到另一個(gè)隨遇的平衡狀態(tài)，稱之為屈曲。臨界點(diǎn)之前稱為前屈曲,臨界點(diǎn)之后稱為后屈曲。側(cè)扭屈曲：梁的截面一般都作成窄而高的形式，對(duì)截面兩主軸慣性矩相差很大。如梁跨度中部無(wú)側(cè)向支承或側(cè)向支承距離較大，在最大剛度主平面內(nèi)承受橫向荷載或彎矩作用時(shí)，荷裁達(dá)一定數(shù)值，梁截面可能產(chǎn)生側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致喪失承載能力，這種現(xiàn)象叫做梁的側(cè)向彎扭屈曲，簡(jiǎn)稱側(cè)扭屈曲。理想軸向受壓直桿的彈性彎曲屈曲：即假定壓桿屈曲時(shí)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，只是沿主軸彎曲。但是對(duì)開口薄壁截面構(gòu)件，在壓力作用下有可能在扭轉(zhuǎn)變形或彎扭變形的情況下喪失穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為扭轉(zhuǎn)屈曲或彎扭屈曲。結(jié)果如下:
四，總結(jié)
經(jīng)過了兩個(gè)多月的學(xué)習(xí)和工作，我終于完成了《風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架設(shè)計(jì)及有限元分析》的論文。從開始接到論文題目到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，再到論文文章的完成，每走一步對(duì)我來(lái)說(shuō)都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間獨(dú)立完成的最大的項(xiàng)目。在這段時(shí)間里，我學(xué)到了很多知識(shí)也有很多感受，從對(duì)課題一無(wú)所知，對(duì)行業(yè)技術(shù)很不了解的狀態(tài)，我開始了獨(dú)立的學(xué)習(xí)和試驗(yàn)，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起來(lái)，每一次改進(jìn)都是我學(xué)習(xí)的收獲，每一次試驗(yàn)的成功都會(huì)讓我興奮好一段時(shí)間。從中我也充分認(rèn)識(shí)到了博客這一新興的出版方式給我們生活帶來(lái)的樂趣，在屬于自己的網(wǎng)絡(luò)空間上，盡情宣泄自己的情感，表達(dá)自己的感受，并且把自己的想法與他人分享，我也有了一個(gè)屬于自己的博客空間。然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但我可以自豪的說(shuō)，這里面的每一個(gè)文字碼，都有我的勞動(dòng)。真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最終都會(huì)化為甜美的甘泉。
這次做論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過程和研究的過程，沒有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會(huì)有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)步。
五，致謝
踉踉蹌蹌地忙碌了兩個(gè)月，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題也終將告一段落。點(diǎn)擊運(yùn)行，也基本達(dá)到預(yù)期的效果，虛榮的成就感在沒人的時(shí)候也總會(huì)冒上心頭。但由于能力和時(shí)間的關(guān)系，總是覺得有很多不盡人意的地方，譬如功能不全、外觀粗糙、底層代碼的不合理……數(shù)不勝數(shù)?？墒?，我又會(huì)有點(diǎn)自戀式地安慰自己：做一件事情，不必過于在乎最終的結(jié)果，可貴的是過程中的收獲。以此語(yǔ)言來(lái)安撫我尚沒平復(fù)的心。
畢業(yè)設(shè)計(jì)，也許是我大學(xué)生涯交上的最后一個(gè)作業(yè)了。想籍次機(jī)會(huì)感謝四年以來(lái)給我?guī)椭乃欣蠋?、同學(xué)，你們的友誼是我人生的財(cái)富，是我生命中不可或缺的一部分。我的畢業(yè)指導(dǎo)老師###老師，雖然我們是在開始畢設(shè)時(shí)才認(rèn)識(shí)，但她卻能以一位長(zhǎng)輩的風(fēng)范來(lái)容諒我的無(wú)知和沖動(dòng)，給我不厭其煩的指導(dǎo)。在此，特向她道聲謝謝。
大學(xué)生活即將匆匆忙忙地過去，但我卻能無(wú)悔地說(shuō)：“我曾經(jīng)來(lái)過。”大學(xué)四年，但它給我的影響卻不能用時(shí)間來(lái)衡量，這四年以來(lái)，經(jīng)歷過的所有事，所有人，都將是我以后生活回味的一部分，是我為人處事的指南針。就要離開學(xué)校，走上工作的崗位了，這是我人生歷程的又一個(gè)起點(diǎn)，在這里祝福大學(xué)里跟我風(fēng)雨同舟的朋友們，一路走好，未來(lái)總會(huì)是絢爛繽紛。
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