《基于ANSYS的垂直轴风力机塔架的力学性能分析及优化》

基于ANSYS的垂直轴风力机塔架的力学分析及优化王印军摘要:基于ANSYS对大型垂直轴风力机塔架进行静态学分析、动力学分析及结构优化。首先根据风力机的功率确定塔架的大体尺寸，然后对塔架进行静力分析，并对塔架承受最大载荷时的最大应变进行强度校核；动力学分析包括有预应力的模态分析、地震谱响应分析。ANSYS优化通过改变塔架的厚度使其固有频率增大，从而避免因塔架在发电机的激励下共振产生的破坏。通过对塔架的力学分析确保了塔架性能的可靠性，为塔架的安全性提供了理论依据，并且在满足力学性能的前提下使塔架的质量最轻，降低了塔架的制造成本。关键词:垂直轴风力机塔架；静力学分析；动力学分析；地震谱响应分析；结构优化中图分类号:TK83文献标志码:A文章编号：MechanicalPerformanceAnalysisandStructureOptimizationofTowerofVerticalAxisWindTurbineBasedonANSYSWANGYinjunAbstract:Staticsanalysis,dynamicsanalysisandstructuraloptimizationoflargetowerofverticalaxiswindturbinewerepresentedbasedonANSYS.Firstofall,accordingtothepowerofthewindgeneratorsthesizeofthetowerwasdetermined.Andthenstaticsanalysisforthetowerwascarriedout.Andthestrengthcheckforthemaximumstrainofthetowerwasdiscussedunderthemaximumload.Dynamicsanalysisincludingprestressedmodalanalysis,seismicresponsespectrumanalysiswasperformed.UsingANSYSoptimizationbychangingthethicknessofthetoweroftheinherentfrequencyincreases,soastoavoidthegeneratorfortowerundertheexcitationofresonanceproduceddamage.Throughtothemechanicalanalysisofthetowertoensurethereliabilityofthetoweroftheperformanceforthesafetyofthetower,toprovidethetheoreticalbasisforthemechanicalproperties,andmakethequalityofthetowerofthelightestinmeetthepremiseofmechanicalproperties,reducethetowerofmanufacturingcost.Keywords:towerofverticalaxiswindturbine;staticsanalysis;dynamicsanalysis;seismseismicresponsespectrumanalysis;structuraloptimization风能资源主要集中在50m以上的高空，大容量的风力机机组便于大规模风能的开发利用，因此大功率的风机具有很好的发展前景。结构振动导致的材料疲劳是塔架损坏的主要原因之一，振动还会产生噪音，影响周围环境，所以塔架的力学分析对于研究风力机的安全可靠性能具有重要的意义。目前，对风力机的研究大都集中在叶片、发动机性能等的研究上，对于塔架的研究很少，尤其是针对大型塔架的研究更为少见[1]，垂直轴风力塔架的分析在国内尚未见报道。本研究在水平轴风力机塔架分析的基础上，根据垂直轴风力机的实际受力对塔架进行加力并分析，为大型垂直轴的风力机塔架的制造提供了理论依据。首先对垂直轴风力机塔架的模型尺寸进行计算与建模，接着对模型加载载荷进行静态的受力分析，在受力的情况下对模型进行有预应力的模态分析，得到塔架的前6阶模态及振型。在模态的基础上，加载模拟的地震频率波动进行谱分析，最后针对塔架模型进行结构优化。1垂直轴风力机塔架的计算模型垂直轴风力机塔架的受力与水平轴有很大不同，扭矩的方同，垂直轴的塔架的扭矩是垂直地面的，水平轴的是平行于地面，还有塔架上风压的计算方式不一样。大型风力机组大都采用圆锥形塔柱，本研究分析的是1MW的垂直轴风力机的塔柱，根据《高耸机构设计规范》GB50135-2006，选择塔柱的尺寸如图1所示：塔高H=70m，底外径D1=4.5m，顶外径D2=3m，底端壁厚B1=30mm，顶端壁厚B2=20mm，底座长L=0.5m，材料为Q345钢，材料弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比µ=0.3，密度ρ=7.850×103kg/m3,许用强度σ=237MPa，许用抗拉强度σ1=425MPa。此塔架为变截面的锥形圆锥体，由于底端是固定的，可以看成悬臂梁结构，塔架的主要载荷有风的水平推力F，机舱、叶片和轮毂的重力G1，塔架的自重G2，轮毂的扭矩M等，作用在塔上的载荷共5种，受力简图如图2所示。1.1塔架产生的主要载荷1）风轮的水平推力。AVCF221(1)式中：ρ—空气密度，1.293kg/m3；V—风速,定为30m/s；A—风轮的扫风面积，取1700m2；C—推力系数，一般切入风速处时取1左右，切出风速取0.5左右，根据贝茨公式计算，C=8/9[2]。2）机舱、叶片和轮毂的力：G=mg(2)式中：m—机舱、叶片和轮毂的总质量，质量取3.9×104kg；g为重力加速度，9.8m/s23）塔架自身的重量G。4）轮毂扭矩M=P/n(3)式中：P—发电机的输出功率,W；n—风轮的转速，r/s。5）作用在塔架上的风压20202)(2121VHZVPaZZ(4)式中：为风压分布载荷，N/m；ρ—空气的密度,Kg/m；Z—塔架的高度，m；Vz—高度为Z处的风速，m/s；H=10m；V—高度为10m处的风速；a是地面粗糙度和地面风的切变系数(在风能资源丰富的西北部，一般取0.156)[3]。由公式（1）可得：F=879240N；由公式（2）可得：G=3.822×105N；把P=1×106W，n=1/3r/s带入公式（4）可得：M=3×106N·M。图1塔架结构模型Fig.1Thestructuremodeloftower图2塔架受力简图Fig.2Theforcediagramoftower如图1所示：塔高H=70m，底外径D1=4.5m，顶外径D2=3m，底端壁厚B1=30mm，顶端壁厚B2=20mm，底座长L=0.5m，材料为Q345钢，材料弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比µ=0.3，密度ρ=7.850×103kg/m3,许用强度σ=237MPa，许用抗拉强度σ1=425MPa。此塔架为变截面的锥形圆锥体，由于底端是固定的，可以看成悬臂梁结构，塔架的主要载荷有风的水平推力F，机舱、叶片和轮毂的重力G1，塔架的自重G2，轮毂的扭矩M等，作用在塔上的载荷共5种，受力简图如图2所示。1.1塔架产生的主要载荷1）风轮的水平推力AVCF221。(1)式中：ρ—空气密度，1.293kg/m3；V—风速,定为30m/s；A—风轮的扫风面积，取1700m2；C—推力系数，一般切入风速处时取1左右，切出风速取0.5左右，根据贝茨公式计算，C=8/9[2]。2）机舱、叶片和轮毂的力：G1=mg。(2)式中：m—机舱、叶片和轮毂的总质量，质量取3.9×104kg；g为重力加速度，9.8m/s2。3）塔架自身的重量G2。4）轮毂扭矩M=P/n。(3)式中：P—发电机的输出功率,W；n—风轮的转速，r/s。5）作用在塔架上的风压20202)(2121VHZVPaZZ(4)式中：ZP为风压分布载荷，N/m；ρ—空气的密度,Kg/m3；Z—塔架的高度，m；Vz—高度为Z处的风速，m/s；H0=10m；V0—高度为10m处的风速；a是地面粗糙度和地面风的切变系数(在风能资源丰富的西北部，一般取0.156)[3]。由公式（1）可得：F=879240N；由公式（2）可得：G1=3.822×105N；把P=1×106W，n=1/3r/s带入公式（4）可得：M=3×106N·M。2用ANSYS对塔架进行静力分析2.1建模、加载与分析首先根据图1在ansys的DM模块中画出塔架的二维模型然后以中心轴为旋转轴进行旋转就得到了塔架的模型，建模完成。进入静力分析模块对模型进行网格划分然后施加边界条件和载荷，步骤如下：1）固定塔架的底端；2）在塔架顶部加载力F和机舱、叶片和轮毂的重力G1以及轮毂扭矩M；3）在塔架上加载塔架的重力G2和风压PZ，结果设置为查看总体的应力和总体的应变，最后进行求解。由求解的结果图3可以得到塔架的最大位移为0.69965m，由图4得到塔架的最大应力为155.18MPa。2.2结果分析与讨论根据材料的刚度要求塔架的最大变形在高度H=70m的1%以下即：7.0100maxHD(m)]4[（5）计算得出的0.69965(m)0.7(m),不超出最大变形的要求，计算得到得最大应力为155.18MPaσ=237MPa[5],强度符合要求，所以塔架结构和静力学性能满足正常工作的要求。3塔架的模态分析塔架的模态分析对塔架的稳定性非常重要，模态分析主要是计算塔架的固有频率和阵型，它是动力学分析的基础，也是结构参数优化的目标，如果塔架受力，就应该进行有预应力的模态分析，分析的结果才有意义。塔架的前几阶模态对稳定性的影响比较大，因此分析塔架的前六阶模态。3.1塔架的有限元动力学方程动力学分析同静力学分析都是把塔架离散成有限个单元体，动力学分析要考虑单元特性的同时还考虑单元的惯性力和阻尼力等因素。动力学方程：FKXXCXM,,,（6）式中：M为塔架的质量矩阵；C为塔架的阻尼矩阵；K为总体刚度矩阵；X为的节点位移；F为塔架受的外力]6[。3.2ANSYS对塔架模态分析的结果从图5到图10可是得到塔架的一到六阶振型、各阶振型下产生的最大位移和固有频率。如在图5中能得到塔架的振型是一阶的，最大的位移在塔架的顶端为5.6769×10-3m，一阶固有频率为1.0363Hz。图3塔架的位移/mFig.3Thedisplacement0ftower/m图4塔架的应力/PaFig.4Thestressoftower/Pa图5塔架的第一阶模态振型Fig.5Thefirstordermodalshapeoftower图7塔架的第三阶模态振型Fig.7thethirdordermodalshapeoftower图6塔架的第二阶模态振型Fig.6Thesecondordermodalshapeoftower图8塔架的第四阶模态振型Fig.8thefourthordermodalshapeoftower图9塔架的第五阶模态振型图10塔架的第六阶模态振型Fig.9thefifthordermodalshapeoftowerFig.10thesixthordermodalshapeoftower表1塔架的前六阶固有频率Tab.1ThethefirstsixordernaturalfrequencyoftowerHzMode123456f1.03631.03974.95384.969912.42712.4633.3结果分析与讨论根据公式Nf2可知，当风力发电机以20r/min的转速运行时，风轮旋转产生的频率为0.3333Hz，风叶数N=3，f=1Hz，由表1可知，这个频率十分接近塔架的第一、二阶固有频率。频率要满足公式(f1―f)/f10%[4]，才能不引起塔架的共振，而f1=1.0363，(f1―f)/f=0.03630.1,所以塔架在发电机的