题 目风力机塔架疲劳寿命分析
摘
第章 概述
11课题研究背景意义
111 风电行业发展现状
112 风力机简介
113 风力机塔架简介
12 风力机塔架疲劳寿命分析意义
13 国外研究现状
131 国外研究风力机塔架现状
132国研究风力机塔架现状
14 文做工作
第二章 风力发电机组结构分析理
21 风力发电机组结构关键部件
22 限单元法理
221 限元法简介
222 限元基理
23 限元分析软件 ANSYS
231 ANSYS 软件基组成功
第三章 风力机塔架静应力分析
21引言
22 水轴风力机机理
23塔架理计算
231塔架力学模型
232塔架载荷简化
33 塔架限元建模
334 底座网格划分
34 应力计算snsys模拟分析
35 章结
第四章 风力机塔架疲劳分析评价
41 疲劳分析基理
411 结构疲劳定义
412 影响结构疲劳素
413 结构疲劳研究方法
42 塔架疲劳ANSYS分析基原理
43 ANSYS疲劳模拟分析
44 章结
第五章 结展
参考文献
致谢
摘
新生源正逐渐崛起正慢慢影响着日常生活中瞩目令称道便风风现认具开发潜实效作清洁源利价值估量风顾名思义源源取风力通系列运作达风力发电效果然风力发电非易事基需诸繁琐流程达理想效果塔架需受种载荷剪切风阵风等缘会导致振动造成风力发电机组损坏风力机塔架实行动静态特质分析着般意义未解决期风力发电会面问题做足思考准备备时需
文思考某定型风力发电机组塔架结构特性受力特质基础设立变截面筒型塔架力学结构模型结构动力学原理推理出塔架顶尖水位移基频计算公式综合考虑叶轮机舱塔架重影响界力计算公式分析塔架固定参数载荷整机稳固性疲劳特质影响作运限元法ANSYS 软件塔架实行动静态特性模拟数值分析容结：
1运限元数值模拟结果运概念计算出结果十分相识考证限元模拟准确性塔架底端开门洞风速变桨角导致塔架边部件点改变塔架静强度产生轻微作风力机塔架实行力学分析设计计算时应该实际情况分析思虑
2塔架实行振动特质响应分析类差模型数值进行模拟分析出塔架底部机头品质底部根基强度塔架固定频率定影响通动态响应分析够出塔架频率回应峰值频率相结构变形合力通计算出塔架时间位移速度加速度进风力机优化设计务实根基
3塔架实行收缩统计充分利 ANSYS 数值模拟分析期塔筒接连处运实体单元法兰盘模拟结果进行计算高精确性实现般工程运现工程计算更加安全相底层开门洞塔架门洞处区域会引起收缩失衡薄壁圆柱壳相缺陷敏感结构部分需考虑门洞收缩作期运门框强化结构会增加塔架收缩印度
4 塔架实行疲劳统计够塔架疲劳寿命基数测验风力机塔架应寿命状况校正核塔架疲劳强度
关键词：风力机塔架限元振动特性屈曲疲劳寿命
Abstract
Wind energy is currently the most promising development and utilization of a renewable energy One of the main ways of wind energy utilization is wind power generation However the working environment of wind turbine system is very complicated and its tower is subjected to various loads and shear wind gust and so on cause vibration which leads to the destruction of wind turbine Therefore it is of great significance to analyze the static and dynamic characteristics of the wind turbine tower
In this paper the mechanical model of variable cross section cylindrical tower is established by combining the structural characteristics and the characteristics of the tower of a certain type of wind turbine Based on the structural dynamics principle the calculation formula of horizontal displacement and fundamental frequency of tower top and the calculation formula of critical force under the combined action of impeller engine room and tower weight are deduced The specific parameters and load of tower are studied Stability and fatigue properties And the finite element method and ANSYS software were used to simulate the static and dynamic characteristics of the tower The main contents and conclusions are as follows
1 The finite element numerical simulation is close to the theoretical calculation and the correctness of the finite element model is verified The opening of the tower at the bottom of the tower and the pitch at different wind speeds cause the change in the center of gravity of the components above the tower to have a certain influence on the static strength of the tower Therefore in the wind turbine tower for mechanical analysis and design calculations should be considered according to the actual situation
2 The vibration characteristics and response analysis of the tower are analyzed Through the numerical simulation of several different models the quality of the bottom of the tower and the stiffness of the bottom foundation have a great influence on the natural frequency of the tower Through the dynamic response analysis the response of the tower at different frequencies and the deformation and stress of the corresponding structure of the peak frequency can be obtained At the same time the displacement velocity and acceleration of the tower are calculated at the same time so as to lay the foundation for the optimization design of the wind turbine The foundation
3 The buckling analysis of the tower the use of ANSYS numerical simulation at the same time in the tower connection the use of solid elements on the flange simulation results have a high accuracy to achieve the general application of engineering and than the current engineering calculations Biased towards safety For the bottom of the tower to open the door near the hole may occur buckling instability Thinwalled cylindrical shells are defectsensitive structures that take into account the effect of the door on the buckling while the use of the door frame to strengthen the structure will increase the buckling strength of the tower
4 Fatigue analysis of the tower you can get the fatigue life of the tower coefficient test the life of the wind turbine tower check the tower fatigue strength
Key words wind turbine tower finite element vibration characteristics buckling fatigue life
第章 概述
11课题研究背景意义
111 风电行业发展现状
世界风资源生年产量风速非常机必须通长期观测知道风速资源潜力外某方面例观测技术限制法极准确范围精准估量球潜风力资源技术方面留发挥空间正逐渐引领发掘根气象局估计报告显示水资源仅仅风资源十分果根均69米秒风速计算话全球风资源概72万亿千瓦时约2020年前开发出三分风资源满足世界生活需[1]风电行业发展步伐飞快全球风电29％增长率维持十年全球风电装机2016年年底前已达94000MW国家调查装机数显示德国美国葡萄牙数量位列前三德国247％美国186％葡萄牙152％2008年底装机容量超2000MW国家已十表全球装机数量前十国家名单
表 1 2016年装机容量前十国家
国家
MW
％
德国
22247
247
美国
16818
186
葡萄牙
15145
152
印度
8000
85
中国
6050
64
丹麦
3125
33
意利
2726
29
英国
2454
26
13019
138
国风力发电规模着长远计划根国家现风力发电规模国2020年实现风力发电规模规模扩化实现2020年达总体装机容量达3000万千瓦观国家总体情况实际容乐观调查2015年国风力发发电源总体装机容量足130万千瓦相较西方国家具差距基占全世界总体风力发电装机容量017％具差距未中国风力发电源开发路涉足探索条极漫长道路足改变国家命运路长走
112 风力机简介
风车风力机(wind machine)种风转变成成机械装置风力机已久发展历岁月磨具长发展时间历史风力机总包含两种机型分垂直轴风力发电机螺水轴风力发电机两种图11 12示风力机构造包括机舱叶片底座塔筒构造组成风力发电机体十分具实效型风力机塔筒呈圆锥形面直径面直径风力发电机原理构造关系叶片作发挥出叶片受风作发生力矩叶片转动起种操作风转化机械然发电机变频器等组合整体系统发电步便够机械转化电
图11 水轴风力机
图12 垂直轴风力机
113 风力机塔架简介
风力机受力部件塔架图13示承受风力机叶片重量已叶片转动时候扭矩外会受行风风载荷解释什整风力机塔架总体设计呈现现象陆风力机塔架受交变载荷风直接工作塔架气动载荷产生风风轮产生作然传送塔架载荷风轮工作进程中产生震动限元已成搭架设计必工具早期设计风力机疲劳重视够导致疲劳失效频发图14示长远考虑确保整体质量水基础现型风力发电机组常常运锥形塔筒进行发电装置组合样够确保发电机组整体完整性总体发电强度保证质量时注重整体实性整体观感样仅利发电完美运作做普通运输方便样改变十分具意义持续性现代基型风力发电机组普遍采锥筒式方法进行搭架类方式搭架通常干段等长度锥筒法兰接连形成搭架逐渐变展示出整体圆台形结构类变截面增强厚度结构模式段惯性矩线品质抗弯强度等基参数样搭架限元分析建模复杂
图13 风力机塔筒
图14 风力机事
12 风力机塔架疲劳寿命分析意义
风力机塔架作整风力发电机组系统关键部件技术方面定难点重点忽视够保证风力机正常稳运行决定性素质量风力机工作条件较苛刻保证正常寿命20年需塔架需满足列条件：高疲劳强度优良性够承受住机载荷暴风非常极端恶劣素测验塔架原规定外部基础条件设计够稳定支撑风轮机舱（包括发电机传动系统）工作载荷情况样够程度保证风力发电机组正常安全运行机制次通计算分析研究者实验确定塔架固定频率阻尼特质塔架运行风轮旋转造成震动者风引起风横风振动进行计算结果分析统计够规定设计状况满足运行稳定性变性限制条件通塔架基设计材料选择防护措施应够程度缩外部素塔架安全性完全性限制
13 国外研究现状
131 国外研究风力机塔架现状
西方国家风力机技术开发中研发较早诸美国德国等国家长期技术处遥遥领先位塔架疲劳关问题分析实行量信息探讨
IEC6140013IEC系列条件中触风力发电载荷检测部分标准水轴型风力发电规范性描述分析标准提供风力机载荷监测相关方法技术条件够作检测指南进程考证直接确定结构载荷
考虑结合非周期载荷机载荷组合功率谱表述疲劳载荷文献考虑确定性载荷简单方式计算气动力重力陀螺力时域方式处理机疲劳载荷问题塔架疲劳载荷谱计算出测验方式出国外Wisper载荷谱模拟分析塔架应力载荷衡量欧洲9种类风力机载荷基础出该谱现已风力机塔架材料结构细节评估疲劳寿命预估分析恶劣条件风力机行载荷研究分析中评估塔架底端区域应力分析统计周期性载荷变量实行研究利Sway Company提供寿命评估程序Simapro模拟风力机系统
现止针风力机疲劳分析统计已实行量研究分析相关复合材料应力损坏常见技术算成熟例Taleja食量损伤模拟[3]指出Miner线性累积损伤法适金属疲劳失效模型数文献然采Miner线性累积损伤法进行寿命预测
132国研究风力机塔架现状
观国总体情况基国情风力发电研究国总体研究起步出较微弱状态起步发展相较晚方面没太丰富验具体实践国风力发电装置寿命相较短基没够超20年型风力发电机组国具体实践缺失关系实践数缺少致国发电机组寿命提高直没观进展产生技术难攻克难关困难固定存时避免技术实践数缺失造成国没研究出型风力机塔架实际测验疲劳载荷谱果够定情况便容易推测出疲劳载荷普种方式操作实际相简单易懂
风力机塔架玻璃钢材料疲劳特性实行研究分析典范推选简化疲劳载荷谱AppleBesquin两种SN关系式曲线分析叶片存疲劳状况研究分析指出Apple公式材料长寿命区域递减性材料疲劳强度较低适合塔架高循环次数低应力载荷谱特性典范推荐Besquin应SN曲线较合理
利ANSYS限元解析软件基础2MW复合材料风力机塔架结构实行限元建模静力学分析模态分析[4]风力机疲劳载荷寿命条件出发风力机疲劳问题实行研究分析确立风力机疲劳分析基方法步骤疲劳载荷谱计算出塔架疲劳寿命DASP软件疲劳分析方法基础应复合材料应力循环特质结构承受交变载荷实行统计结果分析进行破损度计算寿命预估
14 文做工作
风力机搭架疲劳寿命分析通疲劳试验疲劳计算两种方法疲劳试验方法风力机搭架国家标准做出明确规定疲劳试验须全部尺寸风力机搭架实行程序普者幅谱载荷加载实验运行结束需试件实行分解检查端口分析受诸实验条件限制正常进行文选取计算方法进行搭架疲劳分析
第二章 风力发电机组结构分析理
21 风力发电机组结构关键部件
细数风力发电机组种类谓品种繁式样难叙述清楚风力发电机组然风转变机械源源受风力作带动发电机组风轮素高速旋转产生相应源反馈达发电效果风轮方面风力机风轮基构造模式风轮处理位置收气流影响分两种类型分垂直轴风力机水轴发电机次课题讨重点便水轴发电机水轴风力机外形图 21示风轮绕着水轴旋转运行时候风轮旋转面风垂直风轮风片径安装旋转轴互相垂直风轮旋转面成角度 φ(安装角)风轮叶片数量风力机途确定风力发电风力机般叶片数需 1～4( 2 片 3 片)叶片数少风力机常称高速风力机高速工作时较高风利系数起动风速高叶片数较少输出功率等条件低速风轮轻较适发电
水轴风力机部分组成：风轮传动机构(增速箱)发电机机座塔架调速器限速器调器停车制动器等结构图见 22 风轮叶片装轮毂称风轮包含叶片轮毂等风轮作风力发电机接收风部件部件现风力发电机叶片数通常 1～4 枚叶片常 2 枚 3 枚叶片叶片风力发电机接收风部件叶片扭曲翼型类参数叶片结构会直接影响叶片接收风效率叶片寿命叶片顶端风轮转动中形成圆直径称风轮直径称叶片直径
现中国已新源开发利取突出成果发展清洁源产业化方面取突出成观未前景太阳光伏发展清洁源开发利方面已具初步规模部分源产业实现商业化观全世界发达国家面前源产业毕竟处起步阶段发达国家相差距相明显点展现方面止点两点整体规模技术发展水方面开发源基数实践速度着少距离新源异军突起现代中国商业企业应该秉持着种发展信念中国源未做出份贡献特风力发展特完善时期风电企业更应该积极研发出具创新实效具完全知识产权新代风力发电机组方面诸设计理念寿命延长基技术方面达应水效果直秉承发展信念够国逐渐发展风电系统提供技术支持援助开发出成低新型风力发电容量机组国风力发电前景做足准备支持新源企业义容辞责
文分析关键部件——塔架般圆形筒塔架支撑整风机部辅助功塔架部装爬梯安全绳工作台控制系统放塔架部台目前风力发电技术显著趋势塔架高度增加样提高风利率关资料显示 80 年代初 1994 年塔架均高度 18M 增加 35M 90 年代末已达 40M年国新研发风机塔架高度显著增加高已达 100M左右着塔架高度升高塔架结构特性力学特性设计中整风力机程尤重
22 限单元法理
221 限元法简介
1限单元法基思想发展史
限元法(Finite Element Method FEM)称限元法（FEM）限元法（FEM）种数值方法结构分析矩阵法结构力学弹性力学中发展应基想法弹性连续介质限元互相连接限数量节点定精度单元限参数描述力学性连续介质力学性认笔机械性建立衡连续性方程着电子计算机发展迅速发展起种现代计算方法[5]
2．国外限元分析发展现状
采限元分析方法计算机硬件软件发展限元分析软件CAD系统集成逐渐成熟限元分析方法已广泛应许领域科学工程研究1943柯朗首先提出原始全断面连续离散化概念（离散）分成干分段连续单元首次尝试分段连续函数三角形单元组合应势原理求解扭转问题1956mjturnerrwclough等应力变形分析结构直接刚度法数字计算机应解决压力问题第时间通复杂面三角形单元计算1960RWClough提出限元第次限元法作种数值分析方法工程技术领域广泛应1965oczienkiewicz等提出种应领域问题变分法形式计算限元法1968年初开始量数学文献限元方法已公布限单元法基理似理种结合偏微分方程变分功分析致力种细胞类型收敛速度稳定性估计误差离散[6]
3 限元方法典型分析步骤
限元分析步骤：
离散化连续定物理系统划分成等效限元系统必须确定单元类型数量排列便合理效表示定物理系统位移模型假定位移函数模型似表示真实位移分布实践中没项式完全相实际位移户必须做选择项式序便实现足够精度计算时间[7]
利变分原理导出单元刚度矩阵单元刚度矩阵节点位移节点力联系起物体分布力转化节点处等效集中力整离散连续代数方程组收集元素刚度矩阵纳入整连续刚度矩阵元素节点力矢量纳入总力负载量
实际工作中述限元分析计算机软件处理步骤（限元程序）完成工程分析需更预处理处理通分析出限元法基思想分合划分单元分析整体结构进行综合分析
23 限元分析软件 ANSYS
231 ANSYS 软件基组成功
文采 ANSYS 软件美国 ANSYS 公司研制型通限元分析(FEA)软件够进行包括结构热声流体电磁场等学科研究[8]核工业铁道石油化工航空航天机械制造源汽车交通国防军工电子土木工程造船生物医学轻工矿水利日家电等领域着广
泛应[9]
世界行业中ANSYS广泛应取成功年直排限元分析（FEA）排名第软件通IS09001质量第认证分析设计软件通美国机械工程师协会（ASME）美国核安全局（NQA）标准分析首次中国压力容器标准化认证委员会获国务院17部委批准[10]
预处理模块提供强实体建模网格工具参数设置功CAD软件缝集成力该软件提供超100种类型单位模拟项目结构材料建模中ANSYS仅具点线面体次生成序生成模型顶建模方式具通调体素采布尔运算生成模型顶建模方式[11]
232 ANSYS 软件风力发电机组中应
文利ANSYS软件风力机关键部件静应力进行分析采结构静力分析方法解决外部荷载引起位移应力应变等静态分析完美
惯性阻尼问题明显ANSYS程序静力分析仅分析线性非线性分析塑性蠕变膨胀变形应变接触分析
第三章 风力机塔架静应力分析
21引言
工程结构言常结构分析方法中结构静力进行分析种结构形式材料种样种类繁具机器样设计标准设计理念设计程分类分析相分析结构力结构线弹性分析容忽视非线性特质力结构设计静力强度进行分析种普遍应类型结构设计基础分析[11]
塔架作风力机重链接设备需计算出塔架应力变形足够强度刚度预防危险次保证机器风荷载正常运转根结构型风力机力学特性建立横钢塔计算模型基结构动力学原理利ANSYS限元软件ANSYS分析叶片部水位移风速静强度风机塔架静强度变化叶片静强度影响
22 水轴风力机机理
然风通顶部叶轮提供动力水轴风力涡轮机运转风通叶轮时风速降量传递风力涡轮机风气运动产物动形式表现出气动表示：
式中： 气通叶轮动
w 代表尾流远端情形
m 通叶轮气质量
V 气通叶轮速度
图 21 示水轴风力发电机组受风时叶轮运转状况气质量叶片产生包含叶轮受风面积数量空气密度 ρ 定时间叶轮受风面积气质量 m 表示：
式中： A 叶轮受风面积
式(21)式(22)风力发电机组受风面积气动：
公式（23）推出风运转量运行风速三方正风力涡轮机风力涡轮机重素风机风区代表风力涡轮机通风获量需思考效率（量转换率）风力涡轮机功率应该风力涡轮机顶级高效率产品[12]
23塔架理计算
231塔架力学模型
现型风力机锥高耸钢结构力学特质特征够总结套弯曲变形轴压缩变形繁琐梁整合问题变形发动机室轮毂叶片重量安装塔顶部时考虑塔中心集中力弯矩
232塔架载荷简化
运行基原理塔架运转需承受载荷：
1 水轴推力
式中 空气密度
叶轮半径
风力机额定风速
风力机推力系数
2 塔架高度方集中压力
式中 叶轮质量
机舱质量
重力加速度
3 风压
风压受垂直气流方面受风压力形成伯努利方程推出风压关系风动压：
中 风压
空气密度
风速
空气密度重度关系（1）中关系：
（2）
标准状态（气压1013hPa温度15℃）空气重度r001225维度45°处重力加速度：
终风压计算公式：
（3）
33 塔架限元建模
1建立模型
中型风力发电机组采锥筒型塔架形式塔架干段等2030 米锥筒连接形成塔架直径逐渐缩分析程中忽视塔架身强度振特质稳定性没作者承受载荷状况部位影响较条件建造塔架般模型减轻建模运行工作量会影响分析结果准确性塔架拆建底端锁定顶端轻松空间薄壁圆筒形结构[13]
次课题采ansys中新版workbench150进行建模首先开workbench150运行界面图331示：
图331 workbench运行界面
Analysis Systems模块中选择Static Structural（结构静强度分析）开窗口图332示
图331
双击Geometry进入草绘模式风力发电机塔筒三段圆锥筒螺栓耦合连接成塔底直径3955米塔顶直径2655米三段塔筒高具体249米2475米164米三段塔筒三独立体点击菜单栏中Tools命令选择connect进行三段塔筒连接代螺栓连接进行耦合处理[14]塔筒建模图332示：
图332 塔筒建模
2 生成限元模型
挑选合适结构类型形状相网格限元计算言非常紧关键根板壳理出薄壳结构：塔筒结构曲率半径壳厚度(Rt≥20)薄壳基假定称 KirchhoffLove(克希霍夫·勒夫)假定容列点
(1)薄壳表面相互垂直直线变形原垂直线样长度会变化
(2)行表面元素正常压力压力相忽略计塔壁弯曲变形面变形力弯曲力表面连接影响采壳单元结构SHELL93分析表面实体时塔部分壁厚度指定单元常数通ANSYS建立塔限元模型[15]
点击模型钮进入网格阶段塔直径高度相等密集栅格级样网格塔图3 3 3示基座活动约束网格更密集图334示：
图333 塔筒网格划分
334 底座网格划分
34 应力计算snsys模拟分析
某定型 15MW 风力发电机组锥筒塔架结构参数：塔架筒壁材料Q345E合金钢弹性模量 210GPa密度 7850kgm3塔架高度 63m底端直径3955m顶部直径 2655m底端壁厚 28mm顶部壁厚15mm叶轮机舱总重 50吨叶轮机舱中心塔顶高度 146m叶轮机舱质量中心塔架中轴线距离 12m风速13ms[16]
通静力分析出塔架稳固塔身底端全部节点会受滑移旋转束缚值0风机塔架承载重力风机重风机负荷风荷载切换坐标系分解三分力扭矩
采壁厚模型进行限数值模拟结构已接实际工程塔架塔变形应力研究基础计算出塔顶位移应力计算结果列表 341中
表341 塔架位移应力计算结果
名称
理计算
文献计算
ANSYS门洞
ANSYS门洞
整体建模
分段建模
整体建模
分段建模
03
03
03
03
03
03
767
763
794
797
791
807
表21出塔底形状相截面惯性矩变化塔顶位移塔底应力影响保证机器通常正常安全运行工程实际安装程中应准确调整叶轮位置外计算出总体建模分段建模结果研究限元建模统计分析方便全部建模项目初步规划中
进行风力机塔架静应力分析前先风力机底座进行固定约束xyz方度0图342示：
图342 风力机底座固定约束示意图
风力机顶部需加风机重量查阅资料风机重约10吨折合应力98000牛顿塔筒重50吨折合应力49000牛顿图343示：
343 顶部风机受力示意图
344 塔顶受力数
风力机处海区中塔架受风行风课题施加风载荷垂直X轴取均风速13ms情况前文分析公式（33）根伯努利方程求时风载荷等效应力20929牛顿图345346示：
345塔筒受风载荷示意图
346 风载荷计算数
结合思考面类条件 ANSYS模拟计算出塔架正常工作时载荷情况变形状况应力状况会着塔架高度变形应力变化曲线图347348示图知风力机塔架受应力
347风力机塔架总变形示意图
348 风力机塔架等效应力图
风力机塔架等效应力图风力机塔筒总变形图够应塔筒位移间关系应力位移间关系路线具体步骤：进入Static StructuralMechanical模块中右击Model（A4）单击insert钮选择Construction Geometry相步骤右击insert选择Path具体参数设置塔筒开始点选择塔底座具体数X：13275mY：13275mZ：6605m 结束点选择塔顶具体数X：19775mY：19775mZ：0Solution（A6）中右击insert次调选出等效应力（Equivalent）位移（Total Deformation）设置Scoping Method Path右击Solution（A6）进行求解求结果图349 3410示：
图349 塔架位移高度曲线
图3410 塔架应力高度曲线
图349图3410分析知塔架越高塔架承受相应力越时着塔架越越高塔筒位移越实际工程中需考虑塔筒高度否满足求防止应力造成必损失[17]
35 章结
1 结合结构动力学原理思考风力发电机塔筒特质特性构造出塔筒模型理值 ANSYS模拟结果进行验证塔筒建模正确性塔筒位移受力情况满足实际工程中应
2 进行静力学计算时塔架越高塔筒位移越塔筒载荷力作静应力塔筒呈非线性分布规律着部分截面尺寸变化开门洞塔底塔顶部位移底端应力开门洞时候塔架没受风速影响塔顶位移塔底应力风速呈正关系
3 静应力分析检测塔筒结构强度否够满足实际工程应位移安全指标塔筒动力学分析基础
第四章 风力机塔架疲劳分析评价
磨损腐蚀断裂结构失效三种形式三原中断裂常发生突然造成灾难性事更注重断裂破坏断裂方面造成分析占三分二断裂事结构疲劳造成[17]制造业项目风力发电项目事疲劳造成通常说疲劳结构循环荷载者机荷载作破坏形成结构疲劳研究具非常重意义
41 疲劳分析基理
411 结构疲劳定义
疲劳指交变应力作构件次循环突然断裂外部负载数量结构疲劳破坏循环次数关根实验出疲劳裂纹产生扩展终破裂应力着交变应力作开裂质循环应力降时候疲劳寿命延长工作时510疲劳问题称高频率疲劳者低频率疲劳疲劳寿命结构损伤循环应力载荷[17]
412影响结构疲劳寿命素
影响结构静态强度素会影响疲劳强度疲劳寿命影响体结构材料外结构截面尺寸表面状态关系
1．结构外形影响
工程实际工作中施工工艺求螺纹沟槽孔等结构截面尺寸通常会发生相应变化结构形状变化(缺口横截面)加某部件应力张力般称应力集中实验结果证明应力集中会引起疲劳裂纹构成应力集中疲劳强度着十分重影响时结构疲劳寿命起着非常重作
2．构件截面尺寸影响
通弯曲扭转疲劳试验证明构件截面尺寸减致疲劳极限增加应力时样表面高应力区域体积尺寸组件体积组件疲劳裂纹形成概率尺寸组件体积组件实验结果证明着构件尺寸越疲劳极限越高材料静强度越构件疲劳极限影响越尺寸构件疲劳极限应尺寸构件疲劳极限应结合实际结构疲劳进行分析思虑[18]
3．表面加工质量影响
疲劳裂纹通常发生构件表面构件表面常种缺陷零件表层部分加工质量状态会构件疲劳强度产生明显影响实验结果证明表层质量处理越低疲劳极限越材料静强度越高加工质量构件疲劳极限影响会越[18]
4．载荷频率影响
腐蚀高温影响结构高周疲劳加载频率结构疲劳极限会影响然负载频率疲劳极限影响非常空气室温干浴测试加载频率加结构疲劳极限寿命会稍微加
413 结构疲劳研究方法
疲劳寿命分析方法作结构疲劳研究研究方法领域研究中学科疲劳问题研究容目[19]
材料学科中疲劳问题说明材料次荷载作损伤产生演化机理结构机械设计研究抗疲劳设计研究宏观力学偏光滑者简单缺口试样进行次载荷力学行
实际工程中般实疲劳寿命分析方法般名义应力法局部应力应变法应力应变场强度法等计算机技术限元分析断发展疲劳寿命分析方法受众欢迎[19]产品开发阶段计划疲劳寿命品质进行够检查出产品疲劳寿命否满足设计实际求实行抗疲劳设计[19]
42 塔架疲劳ANSYS分析基原理
1 疲劳累积损伤
应力超疲劳极限时部件会产生定破坏破坏累积损伤累积定界值时发生疲劳破坏累积损伤指疲劳累积损伤理定义时常常会疲劳损伤D疲劳损伤演变 dD加作基量疲劳损伤£>具备明确物理意义实验数致疲劳损伤演化规律
疲劳累积损伤理两问题需解决：
（1）循环荷载确定材料部件损伤程度
（2）区分失效时界损伤值
定义疲劳损伤方法数采宏观现象学定义准确出损伤程度实际应中会出现误差现国外学者希够通连续介质损伤理理分析应没支撑理数分析尤复合材料分析研究异性特点分析形成定困难[19]面出通疲劳累积损伤模型 没找更分析方法时作种选择
1945年Miner基网损材料吸收原理提出线性累积损伤数学表达式根材料吸收净功原理设材料破坏时吸收净功W 材料次应力循环吸收功 材料 次应力循环发生破坏：
（41）
理设次应力循环材料吸收功材料次应力循环破坏：
（42）
材料破坏时：
（43）
公式（41）（43）知：
（44）
式子（44）写成：
（55）
外线性疲劳累积损伤理表41出常线性理详细介绍理具体法
表41 线性疲劳累积损伤理
作者
累积损伤模型
材料参数
Palmgren Miner
损伤定义
破坏准
Lundberg
损伤定义
破坏准
shanleg
损伤定义
破坏准
n
Grover
损伤定义
破坏准
2．名义应力法
名义应力法材料S−N（图42）曲线出发考虑构件表面质量状况尺寸等诸素构件结构疲劳危险部位进行疲劳强度疲劳寿命计算[19]
（1）静力强度分析基础确定结构疲劳破坏位置
（2）计算危险部位名义应力确定应力集中系数
（3）危险部分名义应力谱载荷谱决定
（4）根疲劳损伤累积理结构危险件疲劳寿命进行估算
图42 SN疲劳曲线
43 ANSYS疲劳模拟分析
1 ANSYS疲劳分析基步骤：
（1）输入置处理器POST1原数库
（2）规模疲劳性疲劳计算建立材料疲劳计算位置需包括：定义位置数目事件荷载材料疲劳性定义定义材料疲劳性质定义应力位置应力集中系数
（3）存储压力指定事件数周期例子ANSYS采雨流计数法动计算应力范围
(4) 激活疲劳计算
(5) 查计算结果
44 章结
风机运行程中叶轮风荷载断击塔架风机正常工况极限载荷作产生疲劳损伤文风机额定寿命范围外载荷约塔架击616 ×10 次计算知塔架疲劳寿命系数D 082464 <1 塔架满足疲劳设计
第五章 结展
风力机空气动力学非常复杂系统叶片异性复合天风机回应运行气动性影响然叶片气动问题关键难点问题风机叶片寿命程度取决疲劳寿命疲劳寿命分析具重意义
章容：
第章介绍选题背景意义背景介绍风电产业发展风力机叶片复合材料疲劳等相关容次阐述国外风力机叶片疲劳分析现状文做工作做简介绍
第二章介绍风力机组成结构理分析引出限元分析软件通ANSYS进行限单元研究
第三章文重点部分利ANSYS软件风电塔架进行建模然风电机组负荷进行计算较重点研究工作风速范围湍流风作均风速应负荷
第四章应ANSYS软件风力机塔筒进行疲劳寿命分析验证分析疲劳破坏种形式确定疲劳分析选SN曲线
第五章全文总结展
文采ANSYS软件应计算缸顶荷载值应应力值时指数函数验方程计算周期应采单刃力作推测应风速应应力循环百分应风速叶片整生命周期分布根Miner线性累积损伤法计算塔架疲劳寿命
影响疲劳计算素：
（1）风电机组负荷分析简化实际工作运行中负荷复杂导致预测寿命增加
（2）考虑正常工作条件考虑正常停机紧急停车启动怠速停机等
（3）SN曲线中参数选取会结果造成影响
（4）Miner法没考虑加载次序影响
线性累积损伤计算应力作生命周期疲劳极限实际造成定程度物质损失降低寿命低疲劳极限应力循环中占例高总周期
然目前止风电塔寿命预测采Miner规需更合理FRP叶片疲劳累积损伤理需进步研究
计算疲劳极限应力循环引起损伤必须修正疲劳性曲线果原SN曲线斜率延伸疲劳极限较低部分会导致保守计算样更纠正种方法引起误差需进步研究
参考文献
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摘
第章 概述
11课题研究背景意义
111 风电行业发展现状
112 风力机简介
113 风力机塔架简介
12 风力机塔架疲劳寿命分析意义
13 国外研究现状
131 国外研究风力机塔架现状
132国研究风力机塔架现状
14 文做工作
第二章 风力发电机组结构分析理
21 风力发电机组结构关键部件
22 限单元法理
221 限元法简介
222 限元基理
23 限元分析软件 ANSYS
231 ANSYS 软件基组成功
第三章 风力机塔架静应力分析
21引言
22 水轴风力机机理
23塔架理计算
231塔架力学模型
232塔架载荷简化
33 塔架限元建模
334 底座网格划分
34 应力计算snsys模拟分析
35 章结
第四章 风力机塔架疲劳分析评价
41 疲劳分析基理
411 结构疲劳定义
412 影响结构疲劳素
413 结构疲劳研究方法
42 塔架疲劳ANSYS分析基原理
43 ANSYS疲劳模拟分析
44 章结
第五章 结展
参考文献
致谢
摘
新生源正逐渐崛起正慢慢影响着日常生活中瞩目令称道便风风现认具开发潜实效作清洁源利价值估量风顾名思义源源取风力通系列运作达风力发电效果然风力发电非易事基需诸繁琐流程达理想效果塔架需受种载荷剪切风阵风等缘会导致振动造成风力发电机组损坏风力机塔架实行动静态特质分析着般意义未解决期风力发电会面问题做足思考准备备时需
文思考某定型风力发电机组塔架结构特性受力特质基础设立变截面筒型塔架力学结构模型结构动力学原理推理出塔架顶尖水位移基频计算公式综合考虑叶轮机舱塔架重影响界力计算公式分析塔架固定参数载荷整机稳固性疲劳特质影响作运限元法ANSYS 软件塔架实行动静态特性模拟数值分析容结：
1运限元数值模拟结果运概念计算出结果十分相识考证限元模拟准确性塔架底端开门洞风速变桨角导致塔架边部件点改变塔架静强度产生轻微作风力机塔架实行力学分析设计计算时应该实际情况分析思虑
2塔架实行振动特质响应分析类差模型数值进行模拟分析出塔架底部机头品质底部根基强度塔架固定频率定影响通动态响应分析够出塔架频率回应峰值频率相结构变形合力通计算出塔架时间位移速度加速度进风力机优化设计务实根基
3塔架实行收缩统计充分利 ANSYS 数值模拟分析期塔筒接连处运实体单元法兰盘模拟结果进行计算高精确性实现般工程运现工程计算更加安全相底层开门洞塔架门洞处区域会引起收缩失衡薄壁圆柱壳相缺陷敏感结构部分需考虑门洞收缩作期运门框强化结构会增加塔架收缩印度
4 塔架实行疲劳统计够塔架疲劳寿命基数测验风力机塔架应寿命状况校正核塔架疲劳强度
关键词：风力机塔架限元振动特性屈曲疲劳寿命
Abstract
Wind energy is currently the most promising development and utilization of a renewable energy One of the main ways of wind energy utilization is wind power generation However the working environment of wind turbine system is very complicated and its tower is subjected to various loads and shear wind gust and so on cause vibration which leads to the destruction of wind turbine Therefore it is of great significance to analyze the static and dynamic characteristics of the wind turbine tower
In this paper the mechanical model of variable cross section cylindrical tower is established by combining the structural characteristics and the characteristics of the tower of a certain type of wind turbine Based on the structural dynamics principle the calculation formula of horizontal displacement and fundamental frequency of tower top and the calculation formula of critical force under the combined action of impeller engine room and tower weight are deduced The specific parameters and load of tower are studied Stability and fatigue properties And the finite element method and ANSYS software were used to simulate the static and dynamic characteristics of the tower The main contents and conclusions are as follows
1 The finite element numerical simulation is close to the theoretical calculation and the correctness of the finite element model is verified The opening of the tower at the bottom of the tower and the pitch at different wind speeds cause the change in the center of gravity of the components above the tower to have a certain influence on the static strength of the tower Therefore in the wind turbine tower for mechanical analysis and design calculations should be considered according to the actual situation
2 The vibration characteristics and response analysis of the tower are analyzed Through the numerical simulation of several different models the quality of the bottom of the tower and the stiffness of the bottom foundation have a great influence on the natural frequency of the tower Through the dynamic response analysis the response of the tower at different frequencies and the deformation and stress of the corresponding structure of the peak frequency can be obtained At the same time the displacement velocity and acceleration of the tower are calculated at the same time so as to lay the foundation for the optimization design of the wind turbine The foundation
3 The buckling analysis of the tower the use of ANSYS numerical simulation at the same time in the tower connection the use of solid elements on the flange simulation results have a high accuracy to achieve the general application of engineering and than the current engineering calculations Biased towards safety For the bottom of the tower to open the door near the hole may occur buckling instability Thinwalled cylindrical shells are defectsensitive structures that take into account the effect of the door on the buckling while the use of the door frame to strengthen the structure will increase the buckling strength of the tower
4 Fatigue analysis of the tower you can get the fatigue life of the tower coefficient test the life of the wind turbine tower check the tower fatigue strength
Key words wind turbine tower finite element vibration characteristics buckling fatigue life
第章 概述
11课题研究背景意义
111 风电行业发展现状
世界风资源生年产量风速非常机必须通长期观测知道风速资源潜力外某方面例观测技术限制法极准确范围精准估量球潜风力资源技术方面留发挥空间正逐渐引领发掘根气象局估计报告显示水资源仅仅风资源十分果根均69米秒风速计算话全球风资源概72万亿千瓦时约2020年前开发出三分风资源满足世界生活需[1]风电行业发展步伐飞快全球风电29％增长率维持十年全球风电装机2016年年底前已达94000MW国家调查装机数显示德国美国葡萄牙数量位列前三德国247％美国186％葡萄牙152％2008年底装机容量超2000MW国家已十表全球装机数量前十国家名单
表 1 2016年装机容量前十国家
国家
MW
％
德国
22247
247
美国
16818
186
葡萄牙
15145
152
印度
8000
85
中国
6050
64
丹麦
3125
33
意利
2726
29
英国
2454
26
13019
138
国风力发电规模着长远计划根国家现风力发电规模国2020年实现风力发电规模规模扩化实现2020年达总体装机容量达3000万千瓦观国家总体情况实际容乐观调查2015年国风力发发电源总体装机容量足130万千瓦相较西方国家具差距基占全世界总体风力发电装机容量017％具差距未中国风力发电源开发路涉足探索条极漫长道路足改变国家命运路长走
112 风力机简介
风车风力机(wind machine)种风转变成成机械装置风力机已久发展历岁月磨具长发展时间历史风力机总包含两种机型分垂直轴风力发电机螺水轴风力发电机两种图11 12示风力机构造包括机舱叶片底座塔筒构造组成风力发电机体十分具实效型风力机塔筒呈圆锥形面直径面直径风力发电机原理构造关系叶片作发挥出叶片受风作发生力矩叶片转动起种操作风转化机械然发电机变频器等组合整体系统发电步便够机械转化电
图11 水轴风力机
图12 垂直轴风力机
113 风力机塔架简介
风力机受力部件塔架图13示承受风力机叶片重量已叶片转动时候扭矩外会受行风风载荷解释什整风力机塔架总体设计呈现现象陆风力机塔架受交变载荷风直接工作塔架气动载荷产生风风轮产生作然传送塔架载荷风轮工作进程中产生震动限元已成搭架设计必工具早期设计风力机疲劳重视够导致疲劳失效频发图14示长远考虑确保整体质量水基础现型风力发电机组常常运锥形塔筒进行发电装置组合样够确保发电机组整体完整性总体发电强度保证质量时注重整体实性整体观感样仅利发电完美运作做普通运输方便样改变十分具意义持续性现代基型风力发电机组普遍采锥筒式方法进行搭架类方式搭架通常干段等长度锥筒法兰接连形成搭架逐渐变展示出整体圆台形结构类变截面增强厚度结构模式段惯性矩线品质抗弯强度等基参数样搭架限元分析建模复杂
图13 风力机塔筒
图14 风力机事
12 风力机塔架疲劳寿命分析意义
风力机塔架作整风力发电机组系统关键部件技术方面定难点重点忽视够保证风力机正常稳运行决定性素质量风力机工作条件较苛刻保证正常寿命20年需塔架需满足列条件：高疲劳强度优良性够承受住机载荷暴风非常极端恶劣素测验塔架原规定外部基础条件设计够稳定支撑风轮机舱（包括发电机传动系统）工作载荷情况样够程度保证风力发电机组正常安全运行机制次通计算分析研究者实验确定塔架固定频率阻尼特质塔架运行风轮旋转造成震动者风引起风横风振动进行计算结果分析统计够规定设计状况满足运行稳定性变性限制条件通塔架基设计材料选择防护措施应够程度缩外部素塔架安全性完全性限制
13 国外研究现状
131 国外研究风力机塔架现状
西方国家风力机技术开发中研发较早诸美国德国等国家长期技术处遥遥领先位塔架疲劳关问题分析实行量信息探讨
IEC6140013IEC系列条件中触风力发电载荷检测部分标准水轴型风力发电规范性描述分析标准提供风力机载荷监测相关方法技术条件够作检测指南进程考证直接确定结构载荷
考虑结合非周期载荷机载荷组合功率谱表述疲劳载荷文献考虑确定性载荷简单方式计算气动力重力陀螺力时域方式处理机疲劳载荷问题塔架疲劳载荷谱计算出测验方式出国外Wisper载荷谱模拟分析塔架应力载荷衡量欧洲9种类风力机载荷基础出该谱现已风力机塔架材料结构细节评估疲劳寿命预估分析恶劣条件风力机行载荷研究分析中评估塔架底端区域应力分析统计周期性载荷变量实行研究利Sway Company提供寿命评估程序Simapro模拟风力机系统
现止针风力机疲劳分析统计已实行量研究分析相关复合材料应力损坏常见技术算成熟例Taleja食量损伤模拟[3]指出Miner线性累积损伤法适金属疲劳失效模型数文献然采Miner线性累积损伤法进行寿命预测
132国研究风力机塔架现状
观国总体情况基国情风力发电研究国总体研究起步出较微弱状态起步发展相较晚方面没太丰富验具体实践国风力发电装置寿命相较短基没够超20年型风力发电机组国具体实践缺失关系实践数缺少致国发电机组寿命提高直没观进展产生技术难攻克难关困难固定存时避免技术实践数缺失造成国没研究出型风力机塔架实际测验疲劳载荷谱果够定情况便容易推测出疲劳载荷普种方式操作实际相简单易懂
风力机塔架玻璃钢材料疲劳特性实行研究分析典范推选简化疲劳载荷谱AppleBesquin两种SN关系式曲线分析叶片存疲劳状况研究分析指出Apple公式材料长寿命区域递减性材料疲劳强度较低适合塔架高循环次数低应力载荷谱特性典范推荐Besquin应SN曲线较合理
利ANSYS限元解析软件基础2MW复合材料风力机塔架结构实行限元建模静力学分析模态分析[4]风力机疲劳载荷寿命条件出发风力机疲劳问题实行研究分析确立风力机疲劳分析基方法步骤疲劳载荷谱计算出塔架疲劳寿命DASP软件疲劳分析方法基础应复合材料应力循环特质结构承受交变载荷实行统计结果分析进行破损度计算寿命预估
14 文做工作
风力机搭架疲劳寿命分析通疲劳试验疲劳计算两种方法疲劳试验方法风力机搭架国家标准做出明确规定疲劳试验须全部尺寸风力机搭架实行程序普者幅谱载荷加载实验运行结束需试件实行分解检查端口分析受诸实验条件限制正常进行文选取计算方法进行搭架疲劳分析
第二章 风力发电机组结构分析理
21 风力发电机组结构关键部件
细数风力发电机组种类谓品种繁式样难叙述清楚风力发电机组然风转变机械源源受风力作带动发电机组风轮素高速旋转产生相应源反馈达发电效果风轮方面风力机风轮基构造模式风轮处理位置收气流影响分两种类型分垂直轴风力机水轴发电机次课题讨重点便水轴发电机水轴风力机外形图 21示风轮绕着水轴旋转运行时候风轮旋转面风垂直风轮风片径安装旋转轴互相垂直风轮旋转面成角度 φ(安装角)风轮叶片数量风力机途确定风力发电风力机般叶片数需 1～4( 2 片 3 片)叶片数少风力机常称高速风力机高速工作时较高风利系数起动风速高叶片数较少输出功率等条件低速风轮轻较适发电
水轴风力机部分组成：风轮传动机构(增速箱)发电机机座塔架调速器限速器调器停车制动器等结构图见 22 风轮叶片装轮毂称风轮包含叶片轮毂等风轮作风力发电机接收风部件部件现风力发电机叶片数通常 1～4 枚叶片常 2 枚 3 枚叶片叶片风力发电机接收风部件叶片扭曲翼型类参数叶片结构会直接影响叶片接收风效率叶片寿命叶片顶端风轮转动中形成圆直径称风轮直径称叶片直径
现中国已新源开发利取突出成果发展清洁源产业化方面取突出成观未前景太阳光伏发展清洁源开发利方面已具初步规模部分源产业实现商业化观全世界发达国家面前源产业毕竟处起步阶段发达国家相差距相明显点展现方面止点两点整体规模技术发展水方面开发源基数实践速度着少距离新源异军突起现代中国商业企业应该秉持着种发展信念中国源未做出份贡献特风力发展特完善时期风电企业更应该积极研发出具创新实效具完全知识产权新代风力发电机组方面诸设计理念寿命延长基技术方面达应水效果直秉承发展信念够国逐渐发展风电系统提供技术支持援助开发出成低新型风力发电容量机组国风力发电前景做足准备支持新源企业义容辞责
文分析关键部件——塔架般圆形筒塔架支撑整风机部辅助功塔架部装爬梯安全绳工作台控制系统放塔架部台目前风力发电技术显著趋势塔架高度增加样提高风利率关资料显示 80 年代初 1994 年塔架均高度 18M 增加 35M 90 年代末已达 40M年国新研发风机塔架高度显著增加高已达 100M左右着塔架高度升高塔架结构特性力学特性设计中整风力机程尤重
22 限单元法理
221 限元法简介
1限单元法基思想发展史
限元法(Finite Element Method FEM)称限元法（FEM）限元法（FEM）种数值方法结构分析矩阵法结构力学弹性力学中发展应基想法弹性连续介质限元互相连接限数量节点定精度单元限参数描述力学性连续介质力学性认笔机械性建立衡连续性方程着电子计算机发展迅速发展起种现代计算方法[5]
2．国外限元分析发展现状
采限元分析方法计算机硬件软件发展限元分析软件CAD系统集成逐渐成熟限元分析方法已广泛应许领域科学工程研究1943柯朗首先提出原始全断面连续离散化概念（离散）分成干分段连续单元首次尝试分段连续函数三角形单元组合应势原理求解扭转问题1956mjturnerrwclough等应力变形分析结构直接刚度法数字计算机应解决压力问题第时间通复杂面三角形单元计算1960RWClough提出限元第次限元法作种数值分析方法工程技术领域广泛应1965oczienkiewicz等提出种应领域问题变分法形式计算限元法1968年初开始量数学文献限元方法已公布限单元法基理似理种结合偏微分方程变分功分析致力种细胞类型收敛速度稳定性估计误差离散[6]
3 限元方法典型分析步骤
限元分析步骤：
离散化连续定物理系统划分成等效限元系统必须确定单元类型数量排列便合理效表示定物理系统位移模型假定位移函数模型似表示真实位移分布实践中没项式完全相实际位移户必须做选择项式序便实现足够精度计算时间[7]
利变分原理导出单元刚度矩阵单元刚度矩阵节点位移节点力联系起物体分布力转化节点处等效集中力整离散连续代数方程组收集元素刚度矩阵纳入整连续刚度矩阵元素节点力矢量纳入总力负载量
实际工作中述限元分析计算机软件处理步骤（限元程序）完成工程分析需更预处理处理通分析出限元法基思想分合划分单元分析整体结构进行综合分析
23 限元分析软件 ANSYS
231 ANSYS 软件基组成功
文采 ANSYS 软件美国 ANSYS 公司研制型通限元分析(FEA)软件够进行包括结构热声流体电磁场等学科研究[8]核工业铁道石油化工航空航天机械制造源汽车交通国防军工电子土木工程造船生物医学轻工矿水利日家电等领域着广
泛应[9]
世界行业中ANSYS广泛应取成功年直排限元分析（FEA）排名第软件通IS09001质量第认证分析设计软件通美国机械工程师协会（ASME）美国核安全局（NQA）标准分析首次中国压力容器标准化认证委员会获国务院17部委批准[10]
预处理模块提供强实体建模网格工具参数设置功CAD软件缝集成力该软件提供超100种类型单位模拟项目结构材料建模中ANSYS仅具点线面体次生成序生成模型顶建模方式具通调体素采布尔运算生成模型顶建模方式[11]
232 ANSYS 软件风力发电机组中应
文利ANSYS软件风力机关键部件静应力进行分析采结构静力分析方法解决外部荷载引起位移应力应变等静态分析完美
惯性阻尼问题明显ANSYS程序静力分析仅分析线性非线性分析塑性蠕变膨胀变形应变接触分析
第三章 风力机塔架静应力分析
21引言
工程结构言常结构分析方法中结构静力进行分析种结构形式材料种样种类繁具机器样设计标准设计理念设计程分类分析相分析结构力结构线弹性分析容忽视非线性特质力结构设计静力强度进行分析种普遍应类型结构设计基础分析[11]
塔架作风力机重链接设备需计算出塔架应力变形足够强度刚度预防危险次保证机器风荷载正常运转根结构型风力机力学特性建立横钢塔计算模型基结构动力学原理利ANSYS限元软件ANSYS分析叶片部水位移风速静强度风机塔架静强度变化叶片静强度影响
22 水轴风力机机理
然风通顶部叶轮提供动力水轴风力涡轮机运转风通叶轮时风速降量传递风力涡轮机风气运动产物动形式表现出气动表示：
式中： 气通叶轮动
w 代表尾流远端情形
m 通叶轮气质量
V 气通叶轮速度
图 21 示水轴风力发电机组受风时叶轮运转状况气质量叶片产生包含叶轮受风面积数量空气密度 ρ 定时间叶轮受风面积气质量 m 表示：
式中： A 叶轮受风面积
式(21)式(22)风力发电机组受风面积气动：
公式（23）推出风运转量运行风速三方正风力涡轮机风力涡轮机重素风机风区代表风力涡轮机通风获量需思考效率（量转换率）风力涡轮机功率应该风力涡轮机顶级高效率产品[12]
23塔架理计算
231塔架力学模型
现型风力机锥高耸钢结构力学特质特征够总结套弯曲变形轴压缩变形繁琐梁整合问题变形发动机室轮毂叶片重量安装塔顶部时考虑塔中心集中力弯矩
232塔架载荷简化
运行基原理塔架运转需承受载荷：
1 水轴推力
式中 空气密度
叶轮半径
风力机额定风速
风力机推力系数
2 塔架高度方集中压力
式中 叶轮质量
机舱质量
重力加速度
3 风压
风压受垂直气流方面受风压力形成伯努利方程推出风压关系风动压：
中 风压
空气密度
风速
空气密度重度关系（1）中关系：
（2）
标准状态（气压1013hPa温度15℃）空气重度r001225维度45°处重力加速度：
终风压计算公式：
（3）
33 塔架限元建模
1建立模型
中型风力发电机组采锥筒型塔架形式塔架干段等2030 米锥筒连接形成塔架直径逐渐缩分析程中忽视塔架身强度振特质稳定性没作者承受载荷状况部位影响较条件建造塔架般模型减轻建模运行工作量会影响分析结果准确性塔架拆建底端锁定顶端轻松空间薄壁圆筒形结构[13]
次课题采ansys中新版workbench150进行建模首先开workbench150运行界面图331示：
图331 workbench运行界面
Analysis Systems模块中选择Static Structural（结构静强度分析）开窗口图332示
图331
双击Geometry进入草绘模式风力发电机塔筒三段圆锥筒螺栓耦合连接成塔底直径3955米塔顶直径2655米三段塔筒高具体249米2475米164米三段塔筒三独立体点击菜单栏中Tools命令选择connect进行三段塔筒连接代螺栓连接进行耦合处理[14]塔筒建模图332示：
图332 塔筒建模
2 生成限元模型
挑选合适结构类型形状相网格限元计算言非常紧关键根板壳理出薄壳结构：塔筒结构曲率半径壳厚度(Rt≥20)薄壳基假定称 KirchhoffLove(克希霍夫·勒夫)假定容列点
(1)薄壳表面相互垂直直线变形原垂直线样长度会变化
(2)行表面元素正常压力压力相忽略计塔壁弯曲变形面变形力弯曲力表面连接影响采壳单元结构SHELL93分析表面实体时塔部分壁厚度指定单元常数通ANSYS建立塔限元模型[15]
点击模型钮进入网格阶段塔直径高度相等密集栅格级样网格塔图3 3 3示基座活动约束网格更密集图334示：
图333 塔筒网格划分
334 底座网格划分
34 应力计算snsys模拟分析
某定型 15MW 风力发电机组锥筒塔架结构参数：塔架筒壁材料Q345E合金钢弹性模量 210GPa密度 7850kgm3塔架高度 63m底端直径3955m顶部直径 2655m底端壁厚 28mm顶部壁厚15mm叶轮机舱总重 50吨叶轮机舱中心塔顶高度 146m叶轮机舱质量中心塔架中轴线距离 12m风速13ms[16]
通静力分析出塔架稳固塔身底端全部节点会受滑移旋转束缚值0风机塔架承载重力风机重风机负荷风荷载切换坐标系分解三分力扭矩
采壁厚模型进行限数值模拟结构已接实际工程塔架塔变形应力研究基础计算出塔顶位移应力计算结果列表 341中
表341 塔架位移应力计算结果
名称
理计算
文献计算
ANSYS门洞
ANSYS门洞
整体建模
分段建模
整体建模
分段建模
03
03
03
03
03
03
767
763
794
797
791
807
表21出塔底形状相截面惯性矩变化塔顶位移塔底应力影响保证机器通常正常安全运行工程实际安装程中应准确调整叶轮位置外计算出总体建模分段建模结果研究限元建模统计分析方便全部建模项目初步规划中
进行风力机塔架静应力分析前先风力机底座进行固定约束xyz方度0图342示：
图342 风力机底座固定约束示意图
风力机顶部需加风机重量查阅资料风机重约10吨折合应力98000牛顿塔筒重50吨折合应力49000牛顿图343示：
343 顶部风机受力示意图
344 塔顶受力数
风力机处海区中塔架受风行风课题施加风载荷垂直X轴取均风速13ms情况前文分析公式（33）根伯努利方程求时风载荷等效应力20929牛顿图345346示：
345塔筒受风载荷示意图
346 风载荷计算数
结合思考面类条件 ANSYS模拟计算出塔架正常工作时载荷情况变形状况应力状况会着塔架高度变形应力变化曲线图347348示图知风力机塔架受应力
347风力机塔架总变形示意图
348 风力机塔架等效应力图
风力机塔架等效应力图风力机塔筒总变形图够应塔筒位移间关系应力位移间关系路线具体步骤：进入Static StructuralMechanical模块中右击Model（A4）单击insert钮选择Construction Geometry相步骤右击insert选择Path具体参数设置塔筒开始点选择塔底座具体数X：13275mY：13275mZ：6605m 结束点选择塔顶具体数X：19775mY：19775mZ：0Solution（A6）中右击insert次调选出等效应力（Equivalent）位移（Total Deformation）设置Scoping Method Path右击Solution（A6）进行求解求结果图349 3410示：
图349 塔架位移高度曲线
图3410 塔架应力高度曲线
图349图3410分析知塔架越高塔架承受相应力越时着塔架越越高塔筒位移越实际工程中需考虑塔筒高度否满足求防止应力造成必损失[17]
35 章结
1 结合结构动力学原理思考风力发电机塔筒特质特性构造出塔筒模型理值 ANSYS模拟结果进行验证塔筒建模正确性塔筒位移受力情况满足实际工程中应
2 进行静力学计算时塔架越高塔筒位移越塔筒载荷力作静应力塔筒呈非线性分布规律着部分截面尺寸变化开门洞塔底塔顶部位移底端应力开门洞时候塔架没受风速影响塔顶位移塔底应力风速呈正关系
3 静应力分析检测塔筒结构强度否够满足实际工程应位移安全指标塔筒动力学分析基础
第四章 风力机塔架疲劳分析评价
磨损腐蚀断裂结构失效三种形式三原中断裂常发生突然造成灾难性事更注重断裂破坏断裂方面造成分析占三分二断裂事结构疲劳造成[17]制造业项目风力发电项目事疲劳造成通常说疲劳结构循环荷载者机荷载作破坏形成结构疲劳研究具非常重意义
41 疲劳分析基理
411 结构疲劳定义
疲劳指交变应力作构件次循环突然断裂外部负载数量结构疲劳破坏循环次数关根实验出疲劳裂纹产生扩展终破裂应力着交变应力作开裂质循环应力降时候疲劳寿命延长工作时510疲劳问题称高频率疲劳者低频率疲劳疲劳寿命结构损伤循环应力载荷[17]
412影响结构疲劳寿命素
影响结构静态强度素会影响疲劳强度疲劳寿命影响体结构材料外结构截面尺寸表面状态关系
1．结构外形影响
工程实际工作中施工工艺求螺纹沟槽孔等结构截面尺寸通常会发生相应变化结构形状变化(缺口横截面)加某部件应力张力般称应力集中实验结果证明应力集中会引起疲劳裂纹构成应力集中疲劳强度着十分重影响时结构疲劳寿命起着非常重作
2．构件截面尺寸影响
通弯曲扭转疲劳试验证明构件截面尺寸减致疲劳极限增加应力时样表面高应力区域体积尺寸组件体积组件疲劳裂纹形成概率尺寸组件体积组件实验结果证明着构件尺寸越疲劳极限越高材料静强度越构件疲劳极限影响越尺寸构件疲劳极限应尺寸构件疲劳极限应结合实际结构疲劳进行分析思虑[18]
3．表面加工质量影响
疲劳裂纹通常发生构件表面构件表面常种缺陷零件表层部分加工质量状态会构件疲劳强度产生明显影响实验结果证明表层质量处理越低疲劳极限越材料静强度越高加工质量构件疲劳极限影响会越[18]
4．载荷频率影响
腐蚀高温影响结构高周疲劳加载频率结构疲劳极限会影响然负载频率疲劳极限影响非常空气室温干浴测试加载频率加结构疲劳极限寿命会稍微加
413 结构疲劳研究方法
疲劳寿命分析方法作结构疲劳研究研究方法领域研究中学科疲劳问题研究容目[19]
材料学科中疲劳问题说明材料次荷载作损伤产生演化机理结构机械设计研究抗疲劳设计研究宏观力学偏光滑者简单缺口试样进行次载荷力学行
实际工程中般实疲劳寿命分析方法般名义应力法局部应力应变法应力应变场强度法等计算机技术限元分析断发展疲劳寿命分析方法受众欢迎[19]产品开发阶段计划疲劳寿命品质进行够检查出产品疲劳寿命否满足设计实际求实行抗疲劳设计[19]
42 塔架疲劳ANSYS分析基原理
1 疲劳累积损伤
应力超疲劳极限时部件会产生定破坏破坏累积损伤累积定界值时发生疲劳破坏累积损伤指疲劳累积损伤理定义时常常会疲劳损伤D疲劳损伤演变 dD加作基量疲劳损伤£>具备明确物理意义实验数致疲劳损伤演化规律
疲劳累积损伤理两问题需解决：
（1）循环荷载确定材料部件损伤程度
（2）区分失效时界损伤值
定义疲劳损伤方法数采宏观现象学定义准确出损伤程度实际应中会出现误差现国外学者希够通连续介质损伤理理分析应没支撑理数分析尤复合材料分析研究异性特点分析形成定困难[19]面出通疲劳累积损伤模型 没找更分析方法时作种选择
1945年Miner基网损材料吸收原理提出线性累积损伤数学表达式根材料吸收净功原理设材料破坏时吸收净功W 材料次应力循环吸收功 材料 次应力循环发生破坏：
（41）
理设次应力循环材料吸收功材料次应力循环破坏：
（42）
材料破坏时：
（43）
公式（41）（43）知：
（44）
式子（44）写成：
（55）
外线性疲劳累积损伤理表41出常线性理详细介绍理具体法
表41 线性疲劳累积损伤理
作者
累积损伤模型
材料参数
Palmgren Miner
损伤定义
破坏准
Lundberg
损伤定义
破坏准
shanleg
损伤定义
破坏准
n
Grover
损伤定义
破坏准
2．名义应力法
名义应力法材料S−N（图42）曲线出发考虑构件表面质量状况尺寸等诸素构件结构疲劳危险部位进行疲劳强度疲劳寿命计算[19]
（1）静力强度分析基础确定结构疲劳破坏位置
（2）计算危险部位名义应力确定应力集中系数
（3）危险部分名义应力谱载荷谱决定
（4）根疲劳损伤累积理结构危险件疲劳寿命进行估算
图42 SN疲劳曲线
43 ANSYS疲劳模拟分析
1 ANSYS疲劳分析基步骤：
（1）输入置处理器POST1原数库
（2）规模疲劳性疲劳计算建立材料疲劳计算位置需包括：定义位置数目事件荷载材料疲劳性定义定义材料疲劳性质定义应力位置应力集中系数
（3）存储压力指定事件数周期例子ANSYS采雨流计数法动计算应力范围
(4) 激活疲劳计算
(5) 查计算结果
44 章结
风机运行程中叶轮风荷载断击塔架风机正常工况极限载荷作产生疲劳损伤文风机额定寿命范围外载荷约塔架击616 ×10 次计算知塔架疲劳寿命系数D 082464 <1 塔架满足疲劳设计
第五章 结展
风力机空气动力学非常复杂系统叶片异性复合天风机回应运行气动性影响然叶片气动问题关键难点问题风机叶片寿命程度取决疲劳寿命疲劳寿命分析具重意义
章容：
第章介绍选题背景意义背景介绍风电产业发展风力机叶片复合材料疲劳等相关容次阐述国外风力机叶片疲劳分析现状文做工作做简介绍
第二章介绍风力机组成结构理分析引出限元分析软件通ANSYS进行限单元研究
第三章文重点部分利ANSYS软件风电塔架进行建模然风电机组负荷进行计算较重点研究工作风速范围湍流风作均风速应负荷
第四章应ANSYS软件风力机塔筒进行疲劳寿命分析验证分析疲劳破坏种形式确定疲劳分析选SN曲线
第五章全文总结展
文采ANSYS软件应计算缸顶荷载值应应力值时指数函数验方程计算周期应采单刃力作推测应风速应应力循环百分应风速叶片整生命周期分布根Miner线性累积损伤法计算塔架疲劳寿命
影响疲劳计算素：
（1）风电机组负荷分析简化实际工作运行中负荷复杂导致预测寿命增加
（2）考虑正常工作条件考虑正常停机紧急停车启动怠速停机等
（3）SN曲线中参数选取会结果造成影响
（4）Miner法没考虑加载次序影响
线性累积损伤计算应力作生命周期疲劳极限实际造成定程度物质损失降低寿命低疲劳极限应力循环中占例高总周期
然目前止风电塔寿命预测采Miner规需更合理FRP叶片疲劳累积损伤理需进步研究
计算疲劳极限应力循环引起损伤必须修正疲劳性曲线果原SN曲线斜率延伸疲劳极限较低部分会导致保守计算样更纠正种方法引起误差需进步研究
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