風(fēng)力發(fā)電機塔架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作

1、風(fēng)力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作模型設(shè)計與制作 風(fēng)力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作模型設(shè)計與制作 1. 風(fēng)力發(fā)電塔架風(fēng)力發(fā)電塔架 2. 設(shè)計方案的制定設(shè)計方案的制定 3. 計算書計算書 4. 塔架模型結(jié)構(gòu)的計算簡介塔架模型結(jié)構(gòu)的計算簡介 制作由汪老師介紹制作由汪老師介紹 （廖力）（廖力） 1. 風(fēng)力發(fā)電塔架風(fēng)力發(fā)電塔架 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風(fēng)受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風(fēng)能約為能約為2.74109MW，其中可利用的風(fēng)能為，其中可利用的風(fēng)能為2107MW，比地球上可開發(fā)利

2、用的水能總量，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大還要大10倍。倍。早期的風(fēng)能利用早期的風(fēng)能利用-風(fēng)車風(fēng)車主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。上世人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。上世紀(jì)三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)紀(jì)三十年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。當(dāng)時的發(fā)電量較低，些小型風(fēng)力發(fā)電裝置。當(dāng)時的發(fā)電量較低，大都在大都在5千瓦以下。千瓦以下。 上世紀(jì)七十年代，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展很快。上世紀(jì)七十年代，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展很快。1978年，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成年

3、，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成了了200千瓦風(fēng)力發(fā)電機，其葉片直徑為千瓦風(fēng)力發(fā)電機，其葉片直徑為38米。米。丹麥日德蘭半島西海岸投入運行的風(fēng)力發(fā)電丹麥日德蘭半島西海岸投入運行的風(fēng)力發(fā)電裝置，其發(fā)電量則達裝置，其發(fā)電量則達2000千瓦，風(fēng)車高千瓦，風(fēng)車高57米。米。 進進入入2121世世紀(jì)，紀(jì)，我我國國風(fēng)風(fēng)力力發(fā)發(fā)電電有有了了長長足足的的發(fā)發(fā)展。展。風(fēng)力發(fā)電機組，風(fēng)力發(fā)電機組，大體上可分轉(zhuǎn)葉大體上可分轉(zhuǎn)葉(包括尾舵包括尾舵)、發(fā)、發(fā)電機和塔架三部電機和塔架三部分。分。塔架是支承轉(zhuǎn)葉、塔架是支承轉(zhuǎn)葉、尾舵和發(fā)電機的結(jié)尾舵和發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。構(gòu)。它一般修建得它一般修建得比較高，為的是獲比較高，為的是獲

4、得較大的和較均勻得較大的和較均勻的風(fēng)力，又的風(fēng)力，又要有足要有足夠的強度夠的強度。塔架高。塔架高度視地面障礙物對度視地面障礙物對風(fēng)速影響的情況，風(fēng)速影響的情況，以及轉(zhuǎn)葉的直徑大以及轉(zhuǎn)葉的直徑大小而定，一般在小而定，一般在6-20米范圍內(nèi)。米范圍內(nèi)。 目前的風(fēng)力發(fā)電機只是給電瓶充電，而目前的風(fēng)力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關(guān)系。率的大小與電瓶大小有更密切的關(guān)系。功率功率的大小更主要取決于風(fēng)量的大小的大小更主要取決于風(fēng)量的大小，而不僅是，而不僅是機頭功率的大小。在內(nèi)地，小的風(fēng)力發(fā)電機機頭功率的大小。

5、在內(nèi)地，小的風(fēng)力發(fā)電機會比大的更合適。因為它更容易被小風(fēng)量帶會比大的更合適。因為它更容易被小風(fēng)量帶動而發(fā)電，動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風(fēng)，會比一時狂風(fēng)持續(xù)不斷的小風(fēng)，會比一時狂風(fēng)更能供給較大的能量。更能供給較大的能量。一臺一臺200W風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得獲得500W甚至甚至1000W乃至更大的功率輸出。乃至更大的功率輸出。 2. 設(shè)計方案的制定設(shè)計方案的制定 1、根據(jù)、根據(jù)使用要求使用要求，確定結(jié)構(gòu)形式，和結(jié)，確定結(jié)構(gòu)形式，和結(jié)構(gòu)布局。構(gòu)布局。塔架結(jié)構(gòu)示意圖塔架結(jié)構(gòu)示意圖 模 型 塔 架 高 度 為模 型 塔 架 高 度

6、為800mm ，平面尺寸不，平面尺寸不大于大于100mm100mm 機 艙 模 型 外 形 尺 寸 為機 艙 模 型 外 形 尺 寸 為200mm100mm95mm，重量預(yù)賽為，重量預(yù)賽為10kg, 決賽決賽為為12kg 2. 設(shè)計方案的制定設(shè)計方案的制定 1、根據(jù)、根據(jù)使用要求使用要求，確定結(jié)構(gòu)形式，和結(jié)，確定結(jié)構(gòu)形式，和結(jié)構(gòu)布局。構(gòu)布局。塔架結(jié)構(gòu)示意圖塔架結(jié)構(gòu)示意圖 550凹槽50100100圖2 機艙側(cè)視圖92底板92圖3 底板俯視圖 8孔洞機艙模型底部機艙模型底部設(shè) 置 一 凹 槽設(shè) 置 一 凹 槽100mm95mm5mm底板上留有四個底板上留有四個直徑為直徑為8mm的的貫穿孔洞貫穿孔

7、洞 2. 2. 設(shè)計方案的制定設(shè)計方案的制定修改設(shè)計修改設(shè)計 1、根據(jù)、根據(jù)使用要求使用要求，確定結(jié)構(gòu)形式，和結(jié)，確定結(jié)構(gòu)形式，和結(jié)構(gòu)布局。構(gòu)布局。盡量采用對稱布局。盡量采用對稱布局。初步設(shè)計：初步設(shè)計： 結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)計算 3、繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計圖繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 平面圖、側(cè)視圖，結(jié)構(gòu)幾何尺寸，主要平面圖、側(cè)視圖，結(jié)構(gòu)幾何尺寸，主要構(gòu)件截面幾何尺寸。構(gòu)件截面幾何尺寸。2、根據(jù)使用載荷，粗略的估算主要構(gòu)件、根據(jù)使用載荷，粗略的估算主要構(gòu)件截面的尺寸，進行初步設(shè)計。截面的尺寸，進行初步設(shè)計。載荷：機艙重量、風(fēng)載荷載荷：機艙重量、風(fēng)載荷2. 2. 設(shè)計方案的制定設(shè)計方案的制定 4、材料表包括：各種截面形式的

8、材料數(shù)、材料表包括：各種截面形式的材料數(shù)量，以及估算的模型重量。量，以及估算的模型重量。（竹材每立方厘米重約為（竹材每立方厘米重約為0.9克）克） 例：例：2號桿號桿截面截面4mm6mm長度長度200mm根數(shù)根數(shù)4 2 “結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”，強調(diào)的是，強調(diào)的是設(shè)計設(shè)計，而，而不僅僅是動手能力的比賽。不僅僅是動手能力的比賽。 計算書是結(jié)構(gòu)計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)計算書是結(jié)構(gòu)計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，通過對通過對主要受力構(gòu)件主要受力構(gòu)件的計算，得出結(jié)構(gòu)的的計算，得出結(jié)構(gòu)的承載力和剛度承載力和剛度，解決好材料的用量與安全，解決好材料的用量與安全性間的矛盾。性間的矛盾。3. 3. 計算書計算書計算書主

9、要包括以下內(nèi)容：計算書主要包括以下內(nèi)容：一、結(jié)構(gòu)的計算簡圖一、結(jié)構(gòu)的計算簡圖二、材料的力學(xué)性能二、材料的力學(xué)性能三、主要承載構(gòu)件的強度，剛度，穩(wěn)定性三、主要承載構(gòu)件的強度，剛度，穩(wěn)定性 3. 3. 計算書計算書3. 3. 計算書計算書一、一、計算簡圖（計算模型）：計算簡圖（計算模型）： 結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的幾何尺寸幾何尺寸，約束約束的情況，的情況，載載荷荷的大小、方向及作用位置，載荷的計的大小、方向及作用位置，載荷的計算方法等，主要受力構(gòu)件（如：立柱、算方法等，主要受力構(gòu)件（如：立柱、梁、板等）的梁、板等）的橫截面形狀、尺寸橫截面形狀、尺寸，所使，所使用的用的材料材料等。等。 3. 3. 計算書計算書

10、二、材料的力學(xué)性能二、材料的力學(xué)性能 根據(jù)選用的材料及其實驗資料根據(jù)選用的材料及其實驗資料（具有離散性）確定材料的許用應(yīng)（具有離散性）確定材料的許用應(yīng)力，彈性模量，等。力，彈性模量，等。 竹皮最大應(yīng)力竹皮最大應(yīng)力 =60MPa，彈性，彈性模量模量E=104MPa。 502膠水膠水三、主要承載構(gòu)件的強度，剛度，穩(wěn)定性三、主要承載構(gòu)件的強度，剛度，穩(wěn)定性 3. 3. 計算書計算書 強度強度：根據(jù)主要承載構(gòu)件的：根據(jù)主要承載構(gòu)件的內(nèi)力內(nèi)力，確定其確定其危險截面危險截面，根據(jù)危險截面的，根據(jù)危險截面的應(yīng)應(yīng)力分布力分布，確定，確定危險點危險點，根據(jù)危險點的，根據(jù)危險點的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)，確定構(gòu)件的，確定

11、構(gòu)件的強度強度。 剛度剛度：結(jié)構(gòu)在載荷作用下，某些位置：結(jié)構(gòu)在載荷作用下，某些位置和方向的和方向的位移或轉(zhuǎn)角位移或轉(zhuǎn)角代表。代表。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性：軸向受壓的桿軸向受壓的桿，要考慮穩(wěn)，要考慮穩(wěn)定性。定性。壓桿穩(wěn)定：壓桿穩(wěn)定： 臨界載荷臨界載荷Fcr FF大柔度（細長）壓桿：大柔度（細長）壓桿：22)( lEIFcr小柔度（短粗）壓桿：小柔度（短粗）壓桿：Fcr= sA, 強度控制強度控制pilAIi 中柔度壓桿（略）中柔度壓桿（略）PEP22)( lEIFcr壓桿兩端約束的影響：壓桿兩端約束的影響： 4.4.塔架模型結(jié)構(gòu)塔架模型結(jié)構(gòu)計算計算簡介簡介 模型計算可以是模型計算可以是比較精確的計算比較

12、精確的計算（對（對結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型的簡化較少），可以利用結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型的簡化較少），可以利用計算軟件計算。也可以通過簡化，對主要計算軟件計算。也可以通過簡化，對主要受力構(gòu)件作受力構(gòu)件作比較粗略的計算比較粗略的計算。4.4.塔架模型結(jié)構(gòu)塔架模型結(jié)構(gòu)計算計算簡介簡介以桁架設(shè)計方案為例：以桁架設(shè)計方案為例：桁架的特點：均為拉壓桿桁架的特點：均為拉壓桿受力均勻，能充分發(fā)揮材受力均勻，能充分發(fā)揮材料的作用。料的作用。機艙載荷：機艙載荷：F1風(fēng)載荷：風(fēng)載荷：F2北京地區(qū)基本風(fēng)壓：北京地區(qū)基本風(fēng)壓：q=300N/m2示意圖示意圖F1F2風(fēng)機型號與參數(shù)風(fēng)機型號與參數(shù)生產(chǎn)廠家：北京興華通風(fēng)設(shè)備有限公司名稱：GXF

13、-B型高效低噪斜流風(fēng)機型號：6-B轉(zhuǎn)速：1450r/min風(fēng)量：11835m3/h全壓：556Pa功率：3kW重量：114kg間距：1m。4.4.塔架模型結(jié)構(gòu)塔架模型結(jié)構(gòu)計算計算簡介簡介1、空間結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)通用計算軟件：通用計算軟件：例如：例如：ANSYS 等等示意圖示意圖F1F24.4.塔架模型結(jié)構(gòu)塔架模型結(jié)構(gòu)計算計算簡介簡介或用小型軟件：或用小型軟件：SMSOLVER2、簡化為平面結(jié)構(gòu)、簡化為平面結(jié)構(gòu)F3F4立柱立柱腹桿腹桿4.4.塔架模型結(jié)構(gòu)塔架模型結(jié)構(gòu)計算計算簡介簡介疊加法疊加法3、簡化的計算、簡化的計算F1F2+4.4.塔架模型結(jié)構(gòu)塔架模型結(jié)構(gòu)計算計算簡介簡介1）只有）只有F1作用

14、作用3、簡化的計算、簡化的計算F1整個結(jié)構(gòu)看成一整個結(jié)構(gòu)看成一壓桿壓桿（忽略腹桿）（忽略腹桿）22)( lEIFcrpilxyAIi 壓桿的橫截面壓桿的橫截面PEP4.4.塔架模型結(jié)構(gòu)塔架模型結(jié)構(gòu)計算計算簡介簡介3、簡化的計算、簡化的計算F22）只有）只有F2作用作用整個結(jié)構(gòu)看成一整個結(jié)構(gòu)看成一懸臂梁懸臂梁（忽略腹桿）（忽略腹桿）xy梁的橫截面梁的橫截面M12 A12 AaaAM1212aAM將將1 ）與）與2）立）立柱的應(yīng)力疊加柱的應(yīng)力疊加3、簡化的計算、簡化的計算F1F2+顯然，高度不同，顯然，高度不同，立柱中的應(yīng)力也立柱中的應(yīng)力也不同。不同。計算各段立柱的計算各段立柱的軸向壓力，可按軸向壓力，可按兩端鉸支考慮穩(wěn)兩端鉸支考慮穩(wěn)定性。定性。3、簡化的計算、簡化的計算F1F2+不足之處：不足之處：腹桿的內(nèi)力無法腹桿的內(nèi)力無法計算。計算。對模型計算書要求對模型計算書要求 計算書在寫作上，應(yīng)該盡量作到，計算書在寫作上，應(yīng)該盡量作到，敘述清敘述清楚、簡明，有條理，能說明問題楚、簡明，有條理，能說明問題，作為，作為技術(shù)檔技術(shù)檔案案，是模型制作的依據(jù)，不僅要自己能看得懂，是模型制作的依據(jù)，不僅要自己能看得懂，也要別人能看得懂。也要別人能看得懂。圖圖文并茂最好。文并茂最好。切記切記：不