有限单元法在风电机组基础设计中的应用分析

本文将国外主流计算方法-有限单元法引入风电机组基础设计阶段,在中节能某项目采用ANSYS计算,同规范计算进行对比分析。通过有限元技术对基础的精确受力模拟进行基础整体变形分析以及应力分析,并通过基本力学原理获得截面力,以进行配筋和设计校核。     

大型近海风力机塔架地震动力学响应分析

地震激励严重威胁风力机正常稳定运行,以丹麦科技大学(DTU)与Vestas公司联合研发的DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑海床土壤柔性,基于有限元及p-y曲线法,研究风力机塔架在3种实测地震激励作用下的瞬态动力学响应。结果表明:强震级、长时间的地震激励对塔架造成严重破坏;地震发生时塔顶位移最大、应变能集中于塔基;塔顶振动方向、形变位置、剪切应力及应变能集中区域因地震加速度的方向大小而改变。     

小型风力发电机组的动态设计与计算

对小型风力发电系统的振动频率采用解析法计算和有限元动态计算,得到塔架和叶片的固有频率的理论计算值、并用动态信号分析仪FOCUSⅡ进行了验证。根据机组的运行激励,分析了塔架和叶片的共振特性,找出它们结构上的薄弱环节,进而对结构进行动力修改方案的探讨。     

汽轮机叶片三维有限元模型的建立及静态与动态应力分析

为了获得汽轮机叶片更为真实详细的应力状态，建立三维实体模型并采用合适的有限元模型进行分析是非常必要的。本文给出了完成叶片三维应力分析所必须的三个步骤并提供了相应的方法：叶片三维有限元计算网格的自动生成，合适的静态与动态应力有限元分析模型的建立，有限元分析结果的后处理方法。文中最后还使用本文提供的方法分析了一个汽轮机末级长叶片和五片成组叶片的静态与动态应力，计算结果与实验数据进行了对比，表明了计算模型的精确度以及应力分析系统的工程实用性。     

基于土-结构耦合作用的风力机塔架地震动力学响应分析

风力机塔架在地震激励下的动力学响应研究对保证风力机安全运行具有重要意义。基于有限元软件ANSYS和Wolf土-构耦合理论对Vestas1.65 MW风力机建立较高精度有限元模型,对是否考虑土-结构耦合(Soil-Structure Interaction,SSI)效应两种条件下进行瞬态动力学分析。选用摩根希尔(Morgan Hill)地震运动,土体选用软土物性参数。结果表明:考虑SSI效应会降低风力机塔架自振频率,塔架在地震激励下的塔顶位移响应、塔顶加速度响应、塔架Mises等效应力响应和塔架剪应力响应频率有较明显下降,塔顶加速度峰值减小6.7%,塔基承受剪应力增加73.5 MPa,增幅98.9%。因此,研究风力机结构抗震设计应考虑SSI效应。     

透平机械转子组装件有限元接触强度计算

根据组装件与整体件的不同,分析了组装件在高速旋转下的零件变形或加工误差,造成接触面不完全接触及受力不均,导致实际与理想状态下的应力分布较大差异,尤其在应力集中处,有时会影响零件强度的安全性判断。计算反映了运行状态的实际情况,并经多次工程应用均安全可靠。     

基于摄动响应面法的汽轮机转子随机响应特性及灵敏度分析

为了满足汽轮机转子高可靠性设计的需求,将响应面法和摄动随机有限元相结合,考虑转子几何参数、材料参数和载荷参数的随机性,首先采用中心指数设计进行抽样,利用步进回归分析技术确定结构的响应面近似函数,然后利用摄动法推导出结构随机响应的各阶中心矩表达式,最后计算出转子随机响应变量的各阶中心矩及其相对于各随机输入变量的灵敏度。计算结果表明,对转子的最大变形影响最大的是弹性模量,其次是转子密度和转速的影响,而轴长对其的影响可忽略不计;对转子的最大应力影响最大的是转子密度,其次是转速的影响,而轴长对其的影响可忽略不计。     

燃气轮机涡轮盘-片多轴低周疲劳寿命研究

针对燃气涡轮转子盘-片,考虑多轴应力对其疲劳寿命的影响。引入三种基于临界面法的多轴疲劳寿命预测模型,将临界面定义为最大破坏平面,并给出了寿命预测模型的执行步骤。结合转子盘-片实例进行了应用研究,结果显示：基于临界面法的多轴疲劳寿命预测结果具有较高的精度,其中Fatemi-Socie（FS）改进模型得到的结果与转子盘-片的实际疲劳寿命基本一致,并且模型中引入有限元计算是可行的,可以减少做一些复杂的实验。因此,研究结果具有一定的实际工程意义。     

风力机叶片静力测试与分析

利用风力机叶片动力特性实验台测试了风力机叶片在载荷作用下的形变特性,通过改变加载力的大小和加载位置进行多组实验,计算各个截面的弯矩;通过实验和有限元静力分析找出了风力机叶片主要承力部件,对风力机叶片的设计和制造提供了参考依据,对提高风力机的总体性能和优化设计具有重要意义。     

兆瓦级风电机组轮毂的优化设计及分析

应用有限元分析软件平台ANSYS Workbench,对某兆瓦级风力发电机组的轮毂进行形状优化设计。经过3轮优化,刚性轮毂被设计成一个空心的似球体,轮毂的外形更加合理,轮毂的重量得以减轻。在减少球墨铸铁用量的同时,使轮毂的有效刚度达到最大化。验证结果表明,优化后的轮毂设计结构,完全满足静强度的设计要求。优化设计的方法简便可靠,适用于大型风电机组轮毂及其他机械部件的设计及分析。     

某MW级风机叶片静力试验的有限元模拟分析

通过有限元方法对某MW级风机叶片的静力试验工况进行了模拟分析,计算了叶片的模态以及在静力试验载荷下的位移、应变。计算结果与全尺寸叶片静力试验结果较好吻合,验证了该分析方法的可靠性,可应用于风电叶片的结构校核和新叶片开发设计。     

水轮发电机组支承结构静动力分析

用三维有限单元方法,对国外某水电站地下厂房的环梁三立柱式异型机墩及风罩、厂房墙本、楼板梁系统所组成的整体结构进行了动静力分析;对厂房内各种振源频率与支承结构固有频率间的耦合共振情况进行了校核,结果表明,该异型机组支承结构的动静力设计是实际可行的。     

炉排承载风箱强度的有限元计算分析

应用Solidworks-COSMOSworks有限元计算软件对链条炉排承载风箱的强度进行了计算,并与手算结果做了对比分析.指出了用手算方法不能反映出加强结构等特殊部位的应力状态,而应用有限元计算不仅可以适应任何结构,而且计算结果也更接近实际.据此,建议尽量运用有限元计算方法.     

地震对不同容量风力机塔架动力响应规律研究

为研究湍流风与地震联合作用下风力机塔架动力响应规律,以AOC 50 kW、WindPACT 1.5 MW和NREL 5 MW 3种不同容量风力机为研究对象,考虑土-构耦合模型效应,基于开源软件FAST预留数据接口,编译地震载荷计算模块,建立了湍流风与地震激励实时耦合的动力仿真模型。基于ASCE标准地震反应谱,得到20种不同强度的地震加速度,计算了不同强度地震与湍流风联合作用下的风力机塔架动力学响应。结果表明:地面加速度峰值(Peak Ground Acceleration,PGA)为0.3g时,湍流风与地震联合作用对塔基剪切力和弯矩影响较大;随地震强度的增大,塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性;发现国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)和美国风能协会/美国土木工程师协会(American Wind Energy Association/The American Society of Civil Engineers,AWEA/ASCE)对地震载荷与风载荷共同作用下的载荷预估模型结果误差较大,并提出了新的高精度模型,可为风力机塔架载荷预估及预防地震风险提供一定的参考。     

亚临界600MW汽轮机高压隔板套热应力分析

应用有限元分析程序对亚临界600MW汽轮机高压隔板套进行三维有限元应力分析,提出采用截面应力与最大应力比值作为判断结构设计是否合理的标准,并与原二维有限差分法计算结果比较,提出采用带有一半圆槽的新型高压隔板套设计方案,可有效降低高压隔板套应力。     

组合式风力发电塔架静力学有限元分析

为解决常规的锥型风力发电塔筒在大型风电机组中的制作、加工和施工运输成本大幅上升的问题,提出了新型组合式风力发电塔架结构以及在组合式塔架连接处采用过渡段连接的改进方案。分析了组合式塔架的静力学特点和最佳过渡段设计方案,并与常规锥台型塔筒的力学性能进行了对比。结果表明,组合式塔架在额定工况和暴风工况下均满足强度和刚度要求;过渡段最佳厚度为255mm、高度为25m,改进后的塔架提高了组合式塔架的力学性能;暴风工况下,改进后的组合式塔架塔顶位移比锥台型塔筒约小17%,且总体上组合式塔架的用钢量明显小于锥台型塔筒,具有良好的经济适用性能。     

汽轮机套装叶轮接触问题的三维有限元分析

运用有限元分析软件SAMCEF,对某型号汽轮机套装叶轮与轴的过盈配合问题作三维模型计算分析,计算中采用接触单元处理过盈配合边界,得到了转子位移和应力分布,并对原来的过盈量设计进行了优化改进,在保证安全性的前提下减小了轮盘的接触应力。     

基于区间有限元的汽轮机叶片非概率可靠性分析

考虑汽轮机叶片设计参数的选取存在不确定性,利用非概率可靠性理论并结合区间有限元方法对汽轮机叶片的静态结构响应进行了研究.由于不确定参数确定的区间有限元控制方程中系数可能存在相关性,利用泰勒展开对非线性的区间刚度矩阵进行线性化处理,避免系数之间的相关性,采用改进迭代解法求解区间有限元控制方程,获得叶片静态结构响应（即应力和变形）的区间范围,并结合实例对叶片响应值与解析解进行了比较.结果表明：改进迭代解法的计算结果能够满足工程应用,并且可定量判断出叶片的可靠程度.     

5 MW风力机叶片模态特性分析

为了研究叶片铺层和主梁形式对大型自适应叶片动态特性的影响,利用Ansys软件建立了5 MW风力机叶片的有限元模型.对不同梁帽铺层角度和主梁形式的叶片进行了模态分析,给出了各模型的前十阶固有频率和振型,分析了叶片梁帽铺层角度、主梁形式和转速对风力机叶片固有频率的影响.结果表明：叶片梁帽铺层角度和叶片主梁形式对固有频率具有重要影响;在叶片的弯扭耦合设计过程中,要考虑设计参数对叶片模态特性的影响,以避免叶片发生振动性能失效.     

考虑连接段厚度影响的风力机组合塔架优化设计*

钢-混组合塔架是低风速地区风力机支撑结构的主要型式之一,连接段对结构的性能有重要影响,组合塔架结构设计直接影响风力机的安全与建设成本。为改善塔架的结构性能以及降低塔架造价,构建了以各塔段外径、壁厚、连接段厚度和混凝土段高度等关键几何尺寸为设计变量,以塔架的固有频率、应力、位移和稳定性等关键性态指标为约束条件,以塔架成本为目标函数的优化设计数学模型。利用模型对某3 MW风力机组合塔架进行优化设计。结果表明：优化方案的塔架总成本减少了15.7%,塔架的整体结构性能得到一定改善;混凝土段高度为塔架总高度的62%时总成本最低;考虑连接段厚度的优化模型能有效调整连接段的受力性能,有利于提高塔架整体优化的效果。考虑组合塔架连接段厚度的优化设计可为同类塔架的设计提供参考。