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有限元相关硕士论文开题报告范文 与基于有限元法的兆瓦级风电机组塔筒静强度分析方面论文范本

主题:有限元论文写作 时间:2024-02-25

基于有限元法的兆瓦级风电机组塔筒静强度分析,该文是有限元相关硕士毕业论文范文和有限元法和兆瓦和强度方面论文范本.

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摘 要:为了保证塔筒具有足够的强度和刚度,从而保证兆瓦级风力发电机组即使在恶劣的环境中也能够安全稳定运行,笔者采用新一代数字化产品开发系统UGNX软件建立了塔筒的有限元模型,并采用风电装用载荷计算仿真工具GHBladed软件得到了塔筒顶部中心的极限载荷,从而进行了塔筒静强度分析计算,并分析探讨了塔筒应力分布、塔筒壁厚、塔筒门框等问题,为风力发电机组塔筒设计和优化提供了依据.

关键词:风力发电机组;塔筒;有限元;NX软件;静强度

中图分类号:TM315;TK83;TP391.7文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2017.12.095

风力发电是我国近年新兴的具有良好前景的新能源产业,2010年底我国已成为装机量世界第一的风电大国[1].在水平轴风力发电机组中,塔筒是其机舱和风轮的承载部件,塔筒的安全决定着整机的安全稳定运行.塔筒作为一种高耸的钢结构,需要具有足够的强度和刚度,才能保证风力发电机组即使在恶劣的环境中也能够安全稳定运行[2].

1塔筒的技术参数

笔者研究的塔筒为三段式变截面钢制锥形塔筒,总高度为67.5m,各筒节通过法兰和螺栓连接,顶部外径为3m,底部外径为4.3m,壁厚范围为12~40mm.塔筒最下方有一处检修门洞,采用厚钢板进行补强.塔筒材料为Q345E,密度为

7800kg/m3,弹性模量为206GPa,泊松比为0.3[3],屈服极限为345MPa.

2塔筒有限元模型的建立

2.1塔筒实体几何模型的建立

笔者研究的塔筒是变截面钢制锥形塔筒,也是现在风电行业最为流行的塔筒,其整体形状规则.采用SiemensPLMSoftware公司出品的新一代数字化产品开发系统UGNX(UnigraphicsNextGeneration的缩写)软件,直接建立模型,并根据各筒节的不同壁厚将塔筒分段,由于塔筒壁厚与其直径相比很小,可将塔筒视为薄壁件,因此筒体部分的模型可采用片体建立,仅体现其外径即可,门框部分进行实体建模.图1为塔筒实体几何模型示意图.

2.2网格划分

根据风力发电机组筒身的结构特性,可在塔筒的不同部分分别采用实体单元或壳单元进行建模.由于其建模的原则是在保证计算精度的同时采用较合理的有限元模型,因此塔筒筒身采用CQUAD4壳单元,塔筒舱门采用CHEXA20实体单元,塔筒顶部中心建立一个无质量节点,并与塔筒顶部边缘采用MCP连接,门框和塔筒也同样采用MCP连接.第96页图2为塔筒单元设置示意图.

2.3材料属性

在UGNX软件的材料库中,可直接选择为塔

筒单元赋予“steel(钢)”材料属性,并为不同壁厚的各个部分赋予不同的厚度属性.

2.4边界条件约束

风力发电机组的塔筒通过底部法兰固定在地基的基础环上,由于在分析时可将塔筒与地基的连接近似为刚性连接,因此对塔筒底部建立柱坐标系,并施加全约束,以约束塔筒底部所有节点的各向自由度,见图3.

2.5受力加载

采用风电装用载荷计算仿真工具GHBladed软件,可计算得到塔筒顶部中心的极限载荷,共有16种工况,见表1.

表1中的极限载荷采用GHBladed软件定义的塔筒顶部坐标系,原点位于塔筒中心轴与塔筒顶部上缘的交点处,该坐标系不随机舱罩旋转,见图4.在图4所示的塔筒顶部坐标系中,x方向为沿风轮轴的水平方向,固定于塔筒上;z方向为垂直向上的方向;y方向为按右手定则确定的方向.在此基础上,可将各工况的各个分量载荷加载于塔筒顶部中心,见图5.

3塔筒静强度分析计算

设计风力发电机组的塔筒时,必须分析在风力发电机组的各种运行工况下,塔筒是否能够满足静强度要求,即塔筒的最大应力必须低于其许用应力.在各个载荷分量的极限载荷情况下对塔筒进行静强度分析,可以判断塔筒能否承受各个载荷分量的极限载荷.另外,还需要考虑塔筒顶部的最大变形量.

经计算可知,塔筒最大应力发生在Fx最小(与Fxy最大为同一工况)条件下,对应的载荷工况模型为dlc5.1-25-b.在该载荷工况下,塔筒最大等效应力σmax等于134.24MPa,其位置在塔筒筒体与门框结合处,见图6.最大变形在塔筒顶部,发生在Fx最大条件下,塔筒最大变形Smax等于589.38mm,见图7.

根据国际电工委员会标准IEC61400-1风力发电机组第一部分设计要求[4]的规定,在静强度分析中需要考虑3项局部安全系数,分别为载荷局部安全系数、材料局部安全系数、重要构件局部安全系数.在载荷计算和统计时已考虑载荷局部安全系数;塔筒静强度材料局部安全系数为1.1;塔筒为三类构件,重要构件局部安全系数要求为1.3.因此,除载荷局部安全系数外,总体安全系数应不小于1.1×1.3等于1.43.

考虑到总体安全系数,Q345E钢的许用应力为345MPa/1.43等于241.3MPa.由图6可知,在极限载荷下,塔筒的最大冯·米塞斯(vonMises)应力为134.24MPa,低于Q345E钢的许用应力值,因此满足设计要求.塔筒最大变形为589.38mm,为塔筒高度67.5m的0.87%,变形较小,因此也满足设计要求.

4结论

笔者通过对风力发电机组塔筒有限元模型的静强度分析研究,介绍了塔筒实体几何模型建立、网格划分、边界条件约束、受力加载等问题.通过研究得出以下3项结论:一是塔筒作为一种板壳薄壁结构,在有限元分析时应将其视为壳体,使用壳单元进行计算;二是塔筒最大应力往往发生在门框处或门框与筒体焊接处,设计时应特别注意门框形状、厚度的设计,并且在门框与筒体焊接处应做必要的加强,设计过渡圆弧对应力进行分散化处理;三是兆瓦级风电机组塔筒筒体通常为变壁厚结构,设计时应合理布局壁厚的构成,并与不同壁厚的各筒节长度合理搭配.

参考文献:

[1]李俊峰,蔡丰波.风光无限:中国风电发展报告2011[M].北

京:中国环境科学出版社,2011.

[2]卓高柱,刘刃,李林,等.大型风力发电机塔筒计算设计[J].

发电设备,2011,25(5):310-313.

[3]王慧慧,黄方林,吴合良,等.风力发电机塔架的有限元分

析[J].山东交通学院学报,2009,17(2):63-67.

[4]InternationalElectrotechnicalCommission.Windturbines-

part1:designrequirements:IEC61400-1[S].Geneva:IEC

Publications,2009.(责任编辑邸开宇)

括而言之,本文是一篇关于经典有限元专业范文可作为有限元法和兆瓦和强度方面的大学硕士与本科毕业论文有限元论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献.

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