考虑缺陷的大型风力机塔筒屈曲分析与稳定性设计

介绍了风力机塔筒在多荷载联合作用下临界屈曲荷载的工程算法与有限元分析方法,并以某5 MW风力机塔筒为研究对象,对比分析不同方法得到的临界屈曲荷载。计算结果表明,线性屈曲分析由于未考虑非线性因素的影响,得到的临界屈曲荷载偏大,而非线性屈曲分析与工程算法得到的计算结果相近。根据计算结果得出,相关标准提出的工程算法存在一定的局限性,在实际验算中需采用有限元方法进行辅助分析,同时提出一种考虑初始缺陷的非线性屈曲分析方法。     

MW级风电机组钢筋混凝土塔筒稳定性分析

通过理论计算与有限元分析方法,对钢筋混凝土塔筒进行屈曲与稳定性分析。计算结果表明,预应力下的钢筋混凝土最大静应力出现在门洞边缘位置,线性屈曲分析由于未考虑非线性因素的影响,得到的临界载荷偏大,而非线性屈曲分析得到的结果可作为对工程算法的修正。随着风力机功率的增加,塔筒高度也不断增加,深入研究钢筋混凝土塔筒的结构特性,为钢筋混凝土结构塔筒工程应用奠定基础。     

大型风力机筒式塔架涡致振动的数值分析

应用有限元数值分析方法分析了1.5MW变速变桨距风电机组圆筒型塔架在非定常气动力作用下的动力学响应.数值计算了塔架的动力特性,考察了风轮及机舱重量对塔架固有频率的影响;研究了作用在圆筒型塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;根据作用在塔架上的气动力,计算了塔顶处横向和顺风向在过临界和超临界条件下的动态位移.计算结果表明:非定常气动力是引起塔架振动的重要原因,研究塔架的动态问题比静态问题更重要.该文的工作也为风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析

研究了海上风力机圆筒型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;建立了基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的混泥土塔架安全寿命估计方法.应用线性波理论仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒型塔架上的波浪载荷.通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,建立了波浪力的分析计算模型;用有限元数值分析方法,求解了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;用雨流计数法统计循环参量,将工作循环应力水平等寿命转换成对称循环下疲劳载荷谱,分析了变幅载荷谱下塔架的疲劳损伤及疲劳寿命.算例表明:该文的工作为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了实用的分析方法.     

大型风力机塔架-叶片体系风振与地震作用对比研究

为研究风荷载和地震作用对大型风力机不同部件的影响程度,建立某3 MW水平轴风力机塔架-叶片一体化有限元模型,通过CFD数值模拟获得风力机表面风压系数并作为风荷载输入参数,同时进行7度地震烈度作用下的反应谱分析。对比研究表明:叶片受风荷载控制,其在风荷载作用下的叶尖位移和叶根弯矩均明显大于地震作用下的数值;塔架由风荷载和地震作用共同控制,风荷载作用下弯矩值均沿高度方向逐渐增加,地震作用下径向与环向弯矩最大值出现在接近塔顶高度处;风荷载作用下塔底环向弯矩及径向与环向轴力均明显大于地震作用,但地震作用下塔底径向和竖向弯矩及剪力稍大于风荷载作用下的数值。     

基于ABAQUS地震激励下风力机结构损伤分析

高耸的风力机塔架结构属于典型的顶部附有大集中质量的细长柔性体的力学结构,相比传统建筑结构差异性较大,极易受到地震载荷影响。基于有限元分析软件ABAQUS建立风力机塔架、基础平台和土体模型,通过FAST导出风轮非定常推力,作用在塔顶机舱,土体底部施加地震加速度时间序列,进行风力机结构模态分析、稳定性分析和动力学响应分析。研究表明：塔架主要的运动形式为摇摆运动和弯曲振动;塔架一阶固有频率为0.290 Hz,大于风轮的额定旋转频率0.202 Hz,因此叶片旋转不会引起风力机塔架发生共振;风载荷作用下,塔架发生横向屈曲,屈曲位置位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,屈曲因子较大;地震载荷作用下,塔架发生纵向屈曲,屈曲位置同样位于塔架底部且随模态阶数增大而逐渐向上发展,较风载荷发生屈曲区域相对更大,屈曲因子相对较小。     

水平轴风力机锥形塔筒的静动态特性研究

根据叶素动量理论,考虑三维紊流风场、Beddoes-Leishman动态失速模型、惯性载荷及重力载荷计算了风力机的整机载荷,进而得到塔架动态载荷的极限工况,针对塔架的结构特点,再应用有限元理论,对水平轴风力发电机组塔架的静态(强度)、动态(屈曲、模态)特性进行了研究。以一台1.5MW水平轴风力发电机组为例,计算了塔架在不同极限工况下的载荷,并对塔筒进行了强度、屈曲和模态分析,得到了具有较大工程实用价值的塔筒静动态分析方法。     

基于遗传算法的风力机塔架最优化设计方法

探讨了遗传算法在风力机塔架结构优化设计中的应用.通过对经典遗传算法进行改进,建立了存在约束条件的遗传算法优化设计模型;考虑结构受力特点,给出了塔架体系在屈曲性能约束条件下的最优化设计方法.另外,针对遗传算法容易收敛到局部最优点的缺陷,改变各变量相应初始界限值,进行两次遗传算法操作运算,使工作效率提高,且结果更为精确.最后,对某风力机塔架进行在简化荷载作用下的最优化设计,得到了较满意的结果.     

考虑停机位置风力机塔架-叶片耦合体系风致稳定性能分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能。以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用CFD方法对叶片单个旋转周期间8个停机位置下风力机塔架-叶片体系的流场进行数值模拟,并与规范曲线进行对比验证数值方法的有效性。此外,结合有限元方法计算不同停机位置下风力机体系动力特性、静风响应、屈曲稳定性能和极限承载力。在此基础上,提炼出停机状态下叶片位置对风力机体系风致响应和稳定性能的演化规律,归纳总结出此类风力机体系风致失稳破坏的最不利控制工况。研究表明:在风力机叶片的1个旋转周期内,当叶片与塔架完全重合(即工况1)时,体系气动性能最差但静风响应较小;随着叶片顺时针旋转,其风致稳定性能呈现先增大后减小的规律,在工况3处其临界失稳风速达到最大,在工况6处临界失稳风速最小。同时研究发现:风力机塔架与叶片的耦合效应会产生一种能显著提高体系极限承载能力的"逆向效应",并且随着叶片对塔架遮挡面积的减小,该"逆向效应"愈加显著。     

水平轴风力机结构动力响应分析

考虑水平轴风力机叶片和塔架的结构柔性,基于模态分析方法,建立了风力机叶片和塔架的耦合动力学模型来模拟整个系统的动态行为.应用线性加速方法,实现了结构动力响应的数值解法.利用分析模型对一台1.25MW风力机在稳态风作用下的结构动力响应进行了计算,计算结果显示所建立的模型能正确反映外部激励对结构变形及载荷的影响.此外,从计算结果可看出大型风力机的柔性结构在工作过程中变形很大;在进行载荷计算时考虑前二阶模态可得到较合理的计算结果.