風(fēng)力機塔架疲勞壽命分析

風(fēng)力機塔架疲勞壽命分析TOC\o"1-3"\h\u摘要 第一章概述 1.1課題研究的背景及意義 1.1.1風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.2風(fēng)力機簡介 1.1.3風(fēng)力機塔架簡介 1.2風(fēng)力機塔架疲勞壽命分析的意義 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1國外研究風(fēng)力機塔架的現(xiàn)狀 1.3.2國內(nèi)研究風(fēng)力機塔架的現(xiàn)狀 1.4本論文所做的工作 第二章風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)及其分析理論 2.1風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部件 2.2有限單元法理論 2.2.1有限元法簡介 2.2.2有限元的基本理論 2.3有限元分析軟件ANSYS 2.3.1ANSYS軟件的基本組成、功能 第三章風(fēng)力機塔架的靜應(yīng)力分析 2.1引言 2.2水平軸風(fēng)力機機理 2.3塔架的理論計算 2.3.1塔架的力學(xué)模型 2.3.2塔架的載荷簡化 3.3塔架的有限元建模 3-3-4底座的網(wǎng)格劃分 3.4應(yīng)力計算及snsys模擬分析 3.5本章小結(jié) 第四章風(fēng)力機塔架的疲勞分析評價 4.1疲勞分析的基本理論 4.1.1結(jié)構(gòu)的疲勞定義 4.1.2影響結(jié)構(gòu)疲勞的主要因素 4.1.3結(jié)構(gòu)疲勞的研究方法 4.2塔架的疲勞ANSYS分析基本原理 4.3ANSYS疲勞模擬分析 4.4本章小結(jié) 第五章結(jié)論與展望 參考文獻(xiàn) 致謝 摘要新生能源正在逐漸崛起，也正慢慢的影響著我們的日常生活。其中最為矚目和令人稱道的便是風(fēng)能。風(fēng)能現(xiàn)如今被認(rèn)為是最具開發(fā)潛能和實效作用的清潔能源，其所能利用的價值不可估量。風(fēng)能，顧名思義，最主要的能源來源取自風(fēng)力，通過一系列運作，達(dá)到風(fēng)力發(fā)電的效果。當(dāng)然，風(fēng)力發(fā)電也并非易事，基本需要諸多繁瑣的流程，才能達(dá)到理想的效果。它的塔架需要經(jīng)受多種載荷，并且因為剪切風(fēng)、陣風(fēng)等緣故會導(dǎo)致振動，從而造成風(fēng)力發(fā)電機組的損壞。因而，對風(fēng)力機塔架實行動靜態(tài)的特質(zhì)分析有著不一般的意義。也未解決后期風(fēng)力發(fā)電可能會面臨的問題做足思考和準(zhǔn)備，以備不時之需。本文在思考某定型風(fēng)力發(fā)電機組塔架結(jié)構(gòu)特性和受力特質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)立了變截面筒型塔架的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。在結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理上，推理出了塔架頂尖水平位移、基頻的計算公式和在綜合考慮葉輪、機艙及塔架自重共同影響下的臨界力計算公式;分析了塔架的固定參數(shù)及載荷對整機的穩(wěn)固性和疲勞特質(zhì)的影響作用。并運用有限元法和ANSYS軟件對塔架實行動靜態(tài)特性的模擬數(shù)值分析。主要內(nèi)容和結(jié)論如下：1.運用有限元數(shù)值模擬的結(jié)果與運用概念計算得出的結(jié)果十分相識，考證了有限元模擬的準(zhǔn)確性。塔架底端開門洞和在不同的風(fēng)速下變槳角導(dǎo)致了塔架上邊各部件要點的改變對塔架靜強度產(chǎn)生了輕微的作用。因而，我們在對風(fēng)力機塔架實行力學(xué)分析和設(shè)計計算時應(yīng)該從實際情況分析思慮。2.對塔架實行振動特質(zhì)和響應(yīng)分析，在對幾類差別模型的數(shù)值進(jìn)行模擬分析，得出塔架底部機頭的品質(zhì)和底部根基的強度對塔架的固定頻率有一定的影響。通過對動態(tài)的響應(yīng)分析，能夠得出塔架在不同的頻率下的回應(yīng)，峰值和頻率所相對結(jié)構(gòu)的變形和合力；并且通過計算得出塔架在各時間的位移、速度和加速度，進(jìn)而為對風(fēng)力機的優(yōu)化設(shè)計務(wù)實了根基。3.對塔架實行收縮統(tǒng)計，充分利用ANSYS數(shù)值模擬分析，同期在塔筒接連處，運用實體單元對法蘭盤模擬結(jié)果進(jìn)行計算有很高的精確性，可以實現(xiàn)一般工程的運用，而且比現(xiàn)今工程計算更加的安全。相對于底層開門洞的塔架，門洞處區(qū)域可能會引起收縮失衡。薄壁圓柱殼是相對缺陷敏感的結(jié)構(gòu)部分，需要考慮到門洞對收縮的作用，同期運用門框強化結(jié)構(gòu)，可能會增加塔架的收縮印度。對塔架實行疲勞統(tǒng)計，能夠得到塔架的疲勞壽命基數(shù)，測驗風(fēng)力機塔架的應(yīng)用壽命狀況，校正核塔架的疲勞使用強度。關(guān)鍵詞：風(fēng)力機塔架；有限元；振動特性；屈曲；疲勞壽命

AbstractWindenergyiscurrentlythemostpromisingdevelopmentandutilizationofarenewableenergy.Oneofthemainwaysofwindenergyutilizationiswindpowergeneration.However,theworkingenvironmentofwindturbinesystemisverycomplicated,anditstowerissubjectedtovariousloads,andshearwind,gustandsooncausevibration,whichleadstothedestructionofwindturbine.Therefore,itisofgreatsignificancetoanalyzethestaticanddynamiccharacteristicsofthewindturbinetower.

Inthispaper,themechanicalmodelofvariablecross-sectioncylindricaltowerisestablishedbycombiningthestructuralcharacteristicsandthecharacteristicsofthetowerofacertaintypeofwindturbine.Basedonthestructuraldynamicsprinciple,thecalculationformulaofhorizontaldisplacementandfundamentalfrequencyoftowertopandthecalculationformulaofcriticalforceunderthecombinedactionofimpeller,engineroomandtowerweightarededuced.Thespecificparametersandloadoftowerarestudied.Stabilityandfatigueproperties.AndthefiniteelementmethodandANSYSsoftwarewereusedtosimulatethestaticanddynamiccharacteristicsofthetower.Themaincontentsandconclusionsareasfollows:

1.Thefiniteelementnumericalsimulationisclosetothetheoreticalcalculation,andthecorrectnessofthefiniteelementmodelisverified.Theopeningofthetoweratthebottomofthetowerandthepitchatdifferentwindspeedscausethechangeinthecenterofgravityofthecomponentsabovethetowertohaveacertaininfluenceonthestaticstrengthofthetower.Therefore,inthewindturbinetowerformechanicalanalysisanddesigncalculationsshouldbeconsideredaccordingtotheactualsituation.

2.Thevibrationcharacteristicsandresponseanalysisofthetowerareanalyzed.Throughthenumericalsimulationofseveraldifferentmodels,thequalityofthebottomofthetowerandthestiffnessofthebottomfoundationhaveagreatinfluenceonthenaturalfrequencyofthetower.Throughthedynamicresponseanalysis,theresponseofthetoweratdifferentfrequenciesandthedeformationandstressofthecorrespondingstructureofthepeakfrequencycanbeobtained.Atthesametime,thedisplacement,velocityandaccelerationofthetowerarecalculatedatthesametime,soastolaythefoundationfortheoptimizationdesignofthewindturbineThefoundation.

3.Thebucklinganalysisofthetower,theuseofANSYSnumericalsimulation,atthesametimeinthetowerconnection,theuseofsolidelementsontheflangesimulationresultshaveahighaccuracy,toachievethegeneralapplicationofengineering,andthanthecurrentengineeringcalculationsBiasedtowardssafety.Forthebottomofthetowertoopenthedoor,neartheholemayoccurbucklinginstability.Thin-walledcylindricalshellsaredefect-sensitivestructuresthattakeintoaccounttheeffectofthedooronthebuckling,whiletheuseofthedoorframetostrengthenthestructurewillincreasethebucklingstrengthofthetower.4.Fatigueanalysisofthetower,youcangetthefatiguelifeofthetowercoefficient,testthelifeofthewindturbinetower,checkthetowerfatiguestrength.Keywords:windturbinetower;finiteelement;vibrationcharacteristics;buckling;fatiguelife

概述1.1課題研究的背景及意義1.1.1風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀世界各地的風(fēng)能資源是可再生的，每年的產(chǎn)量也很多。由于風(fēng)速是非常隨機的，因此必須要通過長期的觀測才能知道風(fēng)速的資源潛力。此外，因為某些方面例如觀測技術(shù)的限制，無法在極其準(zhǔn)確的范圍內(nèi)精準(zhǔn)估量地球所潛在風(fēng)力資源。因而在技術(shù)方面，還是留有很多發(fā)揮的空間。也正逐漸地引領(lǐng)我們?nèi)グl(fā)掘。的根據(jù)氣象局估計的報告顯示，水資源也僅僅是風(fēng)能資源的十分之一，如果根據(jù)平均6.9米/秒的風(fēng)速計算的話，全球的可用風(fēng)能資源大概是72萬億千瓦時。大約在2020年之前，只要能開發(fā)出三分之一的風(fēng)能資源即可滿足世界的生活需要[1]。風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的步伐飛快。全球風(fēng)電29％的增長率維持了將近十年。全球的風(fēng)電裝機在2016年年底之前已經(jīng)達(dá)到了94000MW。從一些國家調(diào)查的裝機數(shù)據(jù)顯示，德國，美國和葡萄牙的數(shù)量位列前三。德國24.7％，美國18.6％，葡萄牙15.2％。到2008年底，裝機容量超過2000MW的國家就已經(jīng)有十個了。表一是全球裝機數(shù)量前十的國家名單。表12016年裝機容量前十的國家國家MW％德國2224724.7美國1681818.6葡萄牙1514515.2印度80008.5中國60506.4丹麥31253.3意大利27262.9英國24542.6其他1301913.8我國對于風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模有著很長遠(yuǎn)的計劃。根據(jù)國家現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模，我國將在2020年實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模規(guī)模的擴大化，即實現(xiàn)在2020年達(dá)到總體裝機容量達(dá)到3000萬千瓦?？v觀國家總體情況，實際不容樂觀。據(jù)調(diào)查，2015年，我國的風(fēng)力發(fā)發(fā)電能源的總體裝機容量還不足130萬千瓦。相較于西方國家還具有很大差距?；菊紦?jù)全世界總體風(fēng)力發(fā)電裝機容量的0.17％。這是具有很大差距的。因此，對于未來中國的風(fēng)力發(fā)電能源的開發(fā)，還有很多路要去涉足和探索。這是一條極其漫長的道路，卻足以改變一個國家的命運。路雖長，但還是要走。1.1.2風(fēng)力機簡介風(fēng)車/風(fēng)力機(windmachine)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成成機械能的裝置。風(fēng)力機由來已久，其發(fā)展也經(jīng)歷過歲月的打磨，因此具有很長的發(fā)展時間和歷史。風(fēng)力機總共包含有兩種機型，分別是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機和螺水平軸風(fēng)力發(fā)電機這兩種，如圖1-1，1-2所示。風(fēng)力機的主要構(gòu)造包括機艙，葉片。底座和塔筒，這些構(gòu)造組成了風(fēng)力發(fā)電機的主體，也十分具有實用效用。大型風(fēng)力機的塔筒呈圓錐形，下面直徑大，上面直徑小。風(fēng)力發(fā)電機的使用原理和他的構(gòu)造不無關(guān)系，葉片的作用也因此而發(fā)揮出來，當(dāng)葉片受到來自于風(fēng)的作用從而發(fā)生力矩，葉片轉(zhuǎn)動起來，這種操作可以使風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后再經(jīng)過發(fā)電機和變頻器等組合為整體系統(tǒng)發(fā)電，最后一步便能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能。圖1-1水平軸風(fēng)力機圖1-2垂直軸風(fēng)力機1.1.3風(fēng)力機塔架簡介風(fēng)力機的主要受力部件是塔架，如圖1-3所示。它要承受風(fēng)力機葉片的重量，已經(jīng)葉片轉(zhuǎn)動的時候的扭矩，此外還會受到平行風(fēng)的風(fēng)載荷。這也就可以很好的解釋了為什么整個風(fēng)力機塔架在總體設(shè)計上所呈現(xiàn)的下大上小的現(xiàn)象。陸地上的風(fēng)力機塔架所經(jīng)受的交變載荷主要是來自于風(fēng)直接工作在塔架上的氣動載荷產(chǎn)生的，風(fēng)對風(fēng)輪產(chǎn)生作用，然后將其傳送到塔架的載荷和風(fēng)輪工作進(jìn)程中產(chǎn)生的震動。因此有限元已經(jīng)成為搭架設(shè)計的必要工具。早期設(shè)計的風(fēng)力機對疲勞重視不夠，導(dǎo)致了疲勞失效頻發(fā)如圖1-4所示，因此為了長遠(yuǎn)的考慮，在為了確保其整體質(zhì)量和水平的基礎(chǔ)上，現(xiàn)如今的大型風(fēng)力發(fā)電機組常常運用錐形塔筒來進(jìn)行發(fā)電裝置的組合，這樣能夠確保發(fā)電機組整體的完整性和總體發(fā)電的強度。在保證質(zhì)量的同時，也注重了其整體的實用性和整體觀感。這樣不僅有利于發(fā)電的完美運作，還做到了普通運輸?shù)姆奖?。這樣的改變是十分具有意義和可持續(xù)性?，F(xiàn)代基本所有的大型風(fēng)力發(fā)電機組都普遍采用錐筒式的方法進(jìn)行搭架。這類方式的搭架通常由若干段不等長度的錐筒用法蘭接連形成，搭架由下向上逐漸變小，展示出整體的圓臺形結(jié)構(gòu)。這類變截面增強厚度的結(jié)構(gòu)模式讓不同段的慣性矩以及線品質(zhì)和抗彎強度等基本參數(shù)都不再一樣。因此，搭架的有限元分析建模很復(fù)雜。圖1-3風(fēng)力機塔筒圖1-4風(fēng)力機事故1.2風(fēng)力機塔架疲勞壽命分析的意義風(fēng)力機塔架作為整個風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件，在技術(shù)方面有一定的難點和重點，這是不能忽視的。能夠保證風(fēng)力機正常平穩(wěn)運行主要的決定性因素是靠它的質(zhì)量。風(fēng)力機因為它的工作的條件比較苛刻，而且還要保證它的正常使用壽命在20年，因此，其需要塔架需要滿足下列條件：很高的疲勞強度以及優(yōu)良的使用性能，能夠承受得住隨機載荷和暴風(fēng)這些非常極端惡劣因素的測驗。塔架在原來規(guī)定的外部基礎(chǔ)條件上，設(shè)計能夠在穩(wěn)定的支撐風(fēng)輪和機艙（包括發(fā)電機和傳動系統(tǒng)）工作的載荷情況下，這樣能夠最大程度上保證風(fēng)力發(fā)電機組正常安全的運行機制。其次我們可以通過對計算的分析研究或者是實驗對確定塔架的固定頻率和阻尼特質(zhì)，從而對塔架運行風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)造成的震動，或者是風(fēng)引起的順風(fēng)和橫風(fēng)向振動進(jìn)行計算結(jié)果分析統(tǒng)計，讓其能夠在規(guī)定的設(shè)計狀況下滿足運行的穩(wěn)定性和變性的限制條件。最后通過對塔架的基本設(shè)計，材料的選擇和防護(hù)措施應(yīng)對能夠很大程度上縮小它的外部因素對塔架安全性和完全性的限制。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究風(fēng)力機塔架的現(xiàn)狀西方國家在風(fēng)力機技術(shù)的開發(fā)和使用中研發(fā)比較早，諸如美國、德國等國家，他們長期在技術(shù)上處于遙遙領(lǐng)先的地位，在對于塔架疲勞的有關(guān)問題上的分析也實行了大量的信息探討。IEC61400-13是IEC系列條件中觸及風(fēng)力發(fā)電的載荷檢測部分標(biāo)準(zhǔn)，主要是在對于水平軸大型風(fēng)力發(fā)電的規(guī)范性描述分析。這個標(biāo)準(zhǔn)為我們提供了風(fēng)力機載荷監(jiān)測的相關(guān)方法和技術(shù)條件，能夠作為檢測指南進(jìn)程考證或直接確定它的結(jié)構(gòu)載荷?？紤]到了結(jié)合非周期載荷和隨機載荷的組合，使用功率譜來表述疲勞載荷。文獻(xiàn)主要考慮確定性載荷，使用簡單的方式計算氣動力，重力和陀螺力。用時域方式來處理隨機疲勞載荷問題。塔架的疲勞載荷譜可以由計算得出，也可以由測驗方式得出。如國外的Wisper載荷譜，是在模擬分析塔架的應(yīng)力載荷，衡量了歐洲9個不同種類風(fēng)力機載荷基礎(chǔ)上得出的。該譜現(xiàn)在已經(jīng)用于風(fēng)力機塔架材料和結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)評估上，疲勞壽命的預(yù)估分析。是對惡劣條件下風(fēng)力機行為和載荷的研究分析，其中主要評估了塔架底端主要區(qū)域的應(yīng)力分析統(tǒng)計，并對它的周期性載荷變量實行研究。利用SwayCompany提供的壽命評估程序Simapro，模擬風(fēng)力機系統(tǒng)?，F(xiàn)今為止，針對風(fēng)力機疲勞分析統(tǒng)計已經(jīng)實行了大量的研究分析，但在相關(guān)復(fù)合材料的應(yīng)力損壞并不常見，而且它的技術(shù)也不算成熟。例如Taleja的食量損傷模擬[3]。指出Miner線性累積損傷法則適用于金屬疲勞失效模型。盡管如此，大多數(shù)文獻(xiàn)任然采用Miner線性累積損傷法進(jìn)行壽命預(yù)測。1.3.2國內(nèi)研究風(fēng)力機塔架的現(xiàn)狀縱觀我國總體情況和基本國情，對于風(fēng)力發(fā)電的研究，我國的總體研究的起步是出于比較微弱的狀態(tài)，即起步和發(fā)展相對較晚，也對于此方面沒有太多豐富的經(jīng)驗和具體的實踐。因此，我國的風(fēng)力發(fā)電裝置的壽命也相對較短，基本沒有能夠超過20年的大型風(fēng)力發(fā)電機組。這和我國具體實踐的缺失不無關(guān)系。實踐數(shù)據(jù)的缺少，才致使我國對于發(fā)電機組壽命的提高一直沒有可觀的進(jìn)展，因此才產(chǎn)生了一些技術(shù)上難以攻克的難關(guān)。困難是固定存在的，同時也是無可避免的。技術(shù)和實踐數(shù)據(jù)的缺失造成了我國至今沒有研究出大型的風(fēng)力機塔架的實際測驗疲勞載荷譜。但是如果能夠依據(jù)給定的情況便可以很容易的推測出疲勞載荷普，這種方式的操作實際上是相對簡單易懂的。在對風(fēng)力機塔架使用的玻璃鋼材料的疲勞特性上實行了研究分析，使用典范推選的簡化疲勞載荷譜，使用了Apple和Besquin兩種S-N關(guān)系式曲線分析了葉片上存在的疲勞狀況，并經(jīng)過研究分析指出，因為Apple公式在材料的長壽命區(qū)域遞減性很大，而材料的疲勞強度較低，不適合塔架高循環(huán)次數(shù)低于應(yīng)力載荷譜的特性，而典范推薦的Besquin所應(yīng)用的S-N曲線是比較合理的。在利用ANSYS有限元解析軟件的基礎(chǔ)上，對2MW的復(fù)合材料風(fēng)力機塔架結(jié)構(gòu)實行有限元建模，以及靜力學(xué)分析和模態(tài)分析[4]。主要從風(fēng)力機的疲勞載荷壽命條件出發(fā)對風(fēng)力機疲勞問題實行了研究分析。確立了風(fēng)力機疲勞分析的基本方法和步驟，之后由疲勞載荷譜計算得出塔架的疲勞壽命。在DASP軟件的疲勞分析方法基礎(chǔ)上，主要應(yīng)用復(fù)合材料應(yīng)力循環(huán)特質(zhì)對結(jié)構(gòu)承受的交變載荷實行統(tǒng)計結(jié)果分析，之后進(jìn)行破損度的計算壽命預(yù)估。1.4本論文所做的工作風(fēng)力機搭架疲勞壽命分析可通過疲勞試驗和疲勞計算兩種方法，疲勞試驗的方法在風(fēng)力機搭架的國家標(biāo)準(zhǔn)做出明確的規(guī)定，因為疲勞試驗須要對全部尺寸的風(fēng)力機搭架實行程序普或者是幅譜載荷的加載實驗，運行結(jié)束之后，需要對試件實行分解檢查和端口分析，但是因為受到諸多實驗條件的限制，不能正常進(jìn)行。本論文選取計算方法進(jìn)行搭架疲勞分析。第二章風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)及其分析理論2.1風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部件細(xì)數(shù)風(fēng)力發(fā)電機組的種類，可謂是品種繁多，各式各樣，難以一一敘述清楚。但由于風(fēng)力發(fā)電機組主要是憑借將大自然的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，其最主要的能源來源是因為受到了因風(fēng)力的作用而帶動的發(fā)電機組的風(fēng)輪的因素，在高速旋轉(zhuǎn)下而產(chǎn)生相應(yīng)的能源反饋，到達(dá)發(fā)電的效果。因此，在風(fēng)輪方面，風(fēng)力機可以憑借風(fēng)輪的基本構(gòu)造模式和風(fēng)輪所處的地理位置所能收到的氣流影響而可以分為兩種類型，分別是垂直軸風(fēng)力機和水平軸發(fā)電機。而本次課題討論的重點便是水平軸發(fā)電機。水平軸風(fēng)力機的外形如圖2-1所示，風(fēng)輪繞著一個水平軸旋轉(zhuǎn)，運行的時候，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面和風(fēng)向是垂直的。風(fēng)輪上的風(fēng)片是徑向安裝的，和旋轉(zhuǎn)軸互相垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度φ(安裝角)。風(fēng)輪葉片的數(shù)量，主看風(fēng)力機的用途來確定。用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機一般葉片數(shù)需要1～4(大多為2片或3片)，葉片數(shù)使用少的風(fēng)力機平常稱為高速風(fēng)力機，是因為它在高速工作時有比較高的風(fēng)能利用系數(shù)，但是它的起動風(fēng)速很高。因為它的葉片數(shù)較少，在輸出功率同等的條件下比低速風(fēng)輪要輕很多，因此比較適用于發(fā)電。水平軸的風(fēng)力機主要是由以下幾部分組成：風(fēng)輪、傳動機構(gòu)(增速箱)、發(fā)電機、機座、塔架、調(diào)速器或限速器、調(diào)向器、停車制動器等。其結(jié)構(gòu)圖見2-2。風(fēng)輪葉片裝在輪轂上被稱為風(fēng)輪，它包含葉片、輪轂等。風(fēng)輪作為風(fēng)力發(fā)電機接收風(fēng)能的主要部件部件?，F(xiàn)今的風(fēng)力發(fā)電機的葉片數(shù)，通常為1～4枚葉片，經(jīng)常用的是2枚到3枚葉片。因為葉片是風(fēng)力發(fā)電機接收風(fēng)能的主要部件，因此葉片的扭曲、翼型的各類參數(shù)和葉片結(jié)構(gòu)都可能會直接影響葉片接收風(fēng)能的效率和葉片的使用壽命。葉片頂端在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動中所形成圓的直徑稱風(fēng)輪直徑，也稱為葉片直徑?，F(xiàn)如今的中國，已經(jīng)在新能源的開發(fā)利用上取得了突出的成果和發(fā)展，在清潔能源的產(chǎn)業(yè)化方面也取得了突出了成就和可觀的未來前景。不論是太陽能光伏的發(fā)展還是其他清潔能源的開發(fā)利用方面，都已經(jīng)具有了初步規(guī)模。且一部分的能源產(chǎn)業(yè)也實現(xiàn)了商業(yè)化。但縱觀全世界，在發(fā)達(dá)國家面前，我們的能源產(chǎn)業(yè)畢竟還只是處于起步階段，與其他發(fā)達(dá)國家相比，差距還是相當(dāng)明顯的。這一點所展現(xiàn)的方面可能也不止一點兩點。在整體的規(guī)模，技術(shù)，發(fā)展水平方面，或是開發(fā)能源的基本數(shù)據(jù)實踐和速度上都有著或多或少的距離。在新能源異軍突起的現(xiàn)代中國，各大商業(yè)企業(yè)應(yīng)該秉持著一種發(fā)展的信念，為中國能源的未來做出自己的一份貢獻(xiàn)。特別是風(fēng)力發(fā)展并不特別完善的時期，風(fēng)電企業(yè)就更應(yīng)該積極研發(fā)出具有創(chuàng)新實效和具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代風(fēng)力發(fā)電機組，在各個方面諸如設(shè)計理念，壽命延長和基本技術(shù)方面達(dá)到應(yīng)有水平和效果。只有一直秉承發(fā)展信念，才能夠為我國逐漸發(fā)展的風(fēng)電系統(tǒng)提供可靠的技術(shù)支持和可靠援助。并開發(fā)出成本低的新型風(fēng)力發(fā)電大容量機組，為我國風(fēng)力發(fā)電的前景做足準(zhǔn)備和支持。這些，是每個新能源企業(yè)義不容辭的責(zé)任。本文分析的關(guān)鍵部件——塔架一般為圓形筒塔架，用于支撐整個風(fēng)機上部及其他輔助功能。塔架內(nèi)部裝有爬梯和安全繩以及工作平臺，控制系統(tǒng)放在塔架內(nèi)部的平臺上。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個顯著趨勢是塔架高度的增加，這樣可以提高風(fēng)能的利用率。據(jù)有關(guān)資料顯示，從80年代初到1994年，塔架平均高度由18M增加到35M，到90年代末已達(dá)到40M。而近年來各國新研發(fā)的風(fēng)機，塔架高度都顯著增加，最高已達(dá)到100M左右。隨著塔架高度的升高，在對塔架的結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)特性的設(shè)計中對整個風(fēng)力機的過程尤為重要。2.2有限單元法理論2.2.1有限元法簡介1.有限單元法基本思想及其發(fā)展史有限元法(FiniteElementMethod.FEM)，也稱為有限元法（FEM）或有限元法（FEM）是一種數(shù)值方法的結(jié)構(gòu)分析。矩陣法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)中的發(fā)展與應(yīng)用?；镜南敕ㄊ?，彈性連續(xù)介質(zhì)有限元，他們互相連接在一個有限數(shù)量的節(jié)點，在一定的精度，為每個單元與有限的參數(shù)來描述的力學(xué)性能和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)性能可以被認(rèn)為是一個小筆這些機械性能，從而建立一個平衡連續(xù)性方程。它是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法[5]。2．國內(nèi)外有限元分析發(fā)展現(xiàn)狀采用有限元分析方法和計算機硬件和軟件的發(fā)展，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成逐漸成熟，有限元分析方法已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的科學(xué)和工程研究。1943柯朗首先提出一個原始的全斷面連續(xù)離散化的概念（離散）分成若干分段連續(xù)的單元，并首次嘗試分段連續(xù)函數(shù)和三角形單元的組合應(yīng)用的最小勢能原理求解扭轉(zhuǎn)問題。1956、m.j.turner和r.wclough等人的應(yīng)力和變形分析結(jié)構(gòu)的直接剛度法，數(shù)字計算機的應(yīng)用給解決壓力問題第一時間是通過復(fù)雜的平面三角形單元計算。1960，R.W.Clough提出了“有限元”的第一次。有限元法作為一種數(shù)值分析方法，在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1965、o.c.zienkiewicz等人提出了一種可應(yīng)用于所有領(lǐng)域的問題可以在變分法的形式計算的有限元法。從1968年初開始，大量的數(shù)學(xué)文獻(xiàn)的有限元方法已經(jīng)公布，有限單元法的基本理論是近似理論，是一種結(jié)合偏微分方程和變分和功能分析，并致力于多種細(xì)胞類型，收斂速度和穩(wěn)定性的估計誤差的離散[6]。3.有限元方法典型分析步驟有限元分析的主要步驟是：離散化的連續(xù)是一個給定的物理系統(tǒng)劃分成等效有限元系統(tǒng)。必須確定單元的類型、數(shù)量、大小和排列，以便合理和有效地表示給定的物理系統(tǒng)。位移模型假定的位移函數(shù)或模型只近似表示真實位移分布。在實踐中，沒有多項式可以完全相同的實際位移。用戶必須做的是選擇多項式的順序，以便它可以實現(xiàn)足夠的精度，在計算時間是可用的[7]。利用變分原理導(dǎo)出單元剛度矩陣，用單元剛度矩陣將節(jié)點位移與節(jié)點力聯(lián)系起來。將物體的分布力轉(zhuǎn)化為節(jié)點處的等效集中力。整個離散連續(xù)的代數(shù)方程組的收集，即，每個元素的剛度矩陣被納入整個連續(xù)的剛度矩陣，和每個元素的節(jié)點力矢量被納入總的力和負(fù)載向量。在實際工作中，上述有限元分析只是計算機軟件處理的一個步驟（有限元程序）。為了完成工程分析，需要更多的預(yù)處理和后處理。通過以上分析可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，劃分為單元分析，并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。2.3有限元分析軟件ANSYS2.3.1ANSYS軟件的基本組成、功能本文所采用的ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件。能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場等學(xué)科的研究[8]。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9]。在世界各行各業(yè)中，ANSYS得到了廣泛的應(yīng)用并取得了成功。這些年，它一直排在有限元分析（FEA）排名第一的軟件，它是通過IS09001質(zhì)量第一認(rèn)證的分析設(shè)計軟件，也可通過美國機械工程師協(xié)會（ASME）和美國核安全局（NQA）標(biāo)準(zhǔn)分析，首次在中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證委員會獲國務(wù)院17部委批準(zhǔn)[10]。預(yù)處理模塊提供了強大的實體建模和網(wǎng)格工具，參數(shù)設(shè)置功能和CAD軟件無縫集成能力。該軟件提供了超過100種類型的單位來模擬每個項目結(jié)構(gòu)與材料。在幾何建模中，ANSYS不僅具有點、線、面、體依次生成的順序而生成幾何模型的自頂向下的建模方式，還具有通過調(diào)用幾何體素和采用布爾運算而生成幾何模型的自頂向下的建模方式[11]。2.3.2ANSYS軟件在風(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)用本文利用ANSYS軟件對風(fēng)力機關(guān)鍵部件的靜應(yīng)力進(jìn)行了分析，并采用結(jié)構(gòu)靜力分析方法解決了外部荷載引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。靜態(tài)分析是完美的慣性和阻尼問題不明顯。ANSYS程序的靜力分析不僅可以分析線性、非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變和接觸分析。

風(fēng)力機塔架的靜應(yīng)力分析2.1引言對于工程結(jié)構(gòu)而言，我們經(jīng)常使用結(jié)構(gòu)分析方法中的結(jié)構(gòu)靜力來對其進(jìn)行分析。這種結(jié)構(gòu)形式和材料是各種各樣的，種類繁多，它具有和其他機器不一樣的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計理念，但是對于其內(nèi)在的設(shè)計過程，還有分類分析是相同的。對于分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力還有結(jié)構(gòu)，它的與線彈性分析是我們不容忽視的一個非線性特質(zhì)，之后再依照內(nèi)力對它的結(jié)構(gòu)設(shè)計還有靜力強度進(jìn)行分析是一種普遍的應(yīng)用，是在其他類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上的分析[11]。塔架作為風(fēng)力機的重要鏈接設(shè)備，因此，我們需要計算出塔架應(yīng)力變形的足夠強度和剛度來預(yù)防危險，以次保證機器在不同風(fēng)荷載下的正常運轉(zhuǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)和大型風(fēng)力機的力學(xué)特性，建立了橫向鋼管塔的計算模型?；诮Y(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，利用ANSYS有限元軟件ANSYS，分析了葉片上部水平位移、不同風(fēng)速下的靜強度和風(fēng)機塔架的靜強度變化對葉片靜強度的影響。2.2水平軸風(fēng)力機機理自然風(fēng)通過其頂部葉輪為其提供動力，以此使水平軸風(fēng)力渦輪機運轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)通過葉輪時，風(fēng)速下降，一些能量傳遞給風(fēng)力渦輪機。風(fēng)是大氣運動的產(chǎn)物，他主要以動能的形式表現(xiàn)出來，大氣動能可以表示為：式中：為大氣通過葉輪的動能；w代表在尾流遠(yuǎn)端的情形；m為通過葉輪的大氣質(zhì)量；V為大氣通過葉輪的速度。如圖2.1所示，當(dāng)水平軸風(fēng)力發(fā)電機組受風(fēng)時葉輪運轉(zhuǎn)狀況，大氣質(zhì)量主要是葉片產(chǎn)生的包含葉輪受風(fēng)面積的數(shù)量。因而，在空氣密度為ρ，一定時間經(jīng)過葉輪受風(fēng)面積的大氣質(zhì)量m可以表示為：式中：A為葉輪受風(fēng)面積。依照式(2.1)和式(2.2)可以得到風(fēng)力發(fā)電機組受風(fēng)面積的大氣動能：從公式（2.3）可以推出，風(fēng)的運轉(zhuǎn)能量與運行風(fēng)速的三平方為正比。因此，風(fēng)力渦輪機是風(fēng)力渦輪機的一個重要因素。風(fēng)機是風(fēng)區(qū)的代表，風(fēng)力渦輪機可以通過風(fēng)能獲得能量，但需思考效率（能量轉(zhuǎn)換率）。風(fēng)力渦輪機的功率，那么，應(yīng)該是風(fēng)力渦輪機的頂級和高效率的產(chǎn)品[12]。2.3塔架的理論計算2.3.1塔架的力學(xué)模型現(xiàn)今大型的風(fēng)力機是以錐高聳鋼結(jié)構(gòu)為主的，依照力學(xué)特質(zhì)的幾何特征能夠總結(jié)為一套彎曲變形、軸向壓縮變形與繁瑣的梁來整合問題的變形。發(fā)動機室、輪轂和葉片的重量是安裝在塔的頂部，同時考慮從塔中心的集中力的彎矩。2.3.2塔架的載荷簡化依照其運行的基本原理，塔架的運轉(zhuǎn)，需要承受的主要載荷有：水平軸向推力式中為空氣密度，；為葉輪半徑，；為風(fēng)力機的額定風(fēng)速，；為風(fēng)力機推力系數(shù)。2.沿塔架高度方向集中壓力式中為葉輪質(zhì)量，；為機艙質(zhì)量，；為重力加速度，。風(fēng)壓大小風(fēng)壓是受到來自于垂直于大氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力而形成的，依照伯努利方程可以推出風(fēng)壓關(guān)系。風(fēng)的動壓為：其中為風(fēng)壓，；為空氣密度，；為風(fēng)速，。由于空氣密度和重度的關(guān)系為，因此有。在（1）中使用這些關(guān)系可得到：（2）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（氣壓為1013hPa，溫度為15℃），空氣重度r=0.01225，。維度為45°處的重力加速度為：最終得到風(fēng)壓計算公式為：（3）3.3塔架的有限元建模1.建立幾何模型大中型風(fēng)力發(fā)電機組主要采用以錐筒型塔架為主的形式。其塔架主要由若干段不對等的20-30米的錐筒連接形成，塔架從下往上其直徑是逐漸縮小的。在分析過程中，忽視塔架本身強度、自振特質(zhì)、穩(wěn)定性沒有主要作用或者承受載荷狀況不是主要部位是影響較小的條件，建造塔架的一般幾何模型。既可以減輕建模的運行工作量，且不會影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。塔架拆建為底端鎖定、頂端輕松的空間薄壁圓筒形結(jié)構(gòu)[13]。本次課題采用ansys中新版本workbench15.0進(jìn)行幾何建模。首先打開workbench15.0，運行界面如圖3-3-1所示：圖3-3-1workbench運行界面在AnalysisSystems模塊中選擇StaticStructural（結(jié)構(gòu)靜強度分析）。打開窗口如圖3-3-2所示。圖3-3-1雙擊Geometry進(jìn)入到草繪模式。風(fēng)力發(fā)電機的塔筒是由三段圓錐筒經(jīng)過螺栓耦合連接而成。塔底直徑為3.955米，塔頂直徑為2.655米。三段塔筒的高從下往上具體為:24.9米，24.75米，16.4米。三段塔筒是三個獨立的個體，點擊菜單欄中的Tools命令，選擇connect進(jìn)行三段塔筒的連接，由此可以代替螺栓連接進(jìn)行耦合處理[14]，塔筒的建模如圖3-3-2所示：圖3-3-2塔筒的幾何建模2生成有限元模型挑選合適的結(jié)構(gòu)類型和形狀及相對的網(wǎng)格對有限元計算而言是非常緊要且關(guān)鍵的。根據(jù)板殼理論得出，薄殼結(jié)構(gòu)是：塔筒結(jié)構(gòu)的曲率半徑和殼厚度之比(R/t≥20)。薄殼的基本假定也稱為Kirchhoff-Love(克?；舴颉だ辗?假定，其內(nèi)容主要有下列幾點；(1)同薄殼表面相互垂直的直線，在經(jīng)過變形后同原來垂直線一樣，長度不會變化；(2)平行的表面元素的正常壓力和其他壓力相比可以忽略不計;塔管壁彎曲變形及平面變形、內(nèi)力和彎曲力和表面連接和影響,采用殼單元的結(jié)構(gòu)SHELL93可以分析表面的實體,同時塔每個部分管壁的厚度不同,它可以指定單元與不同常數(shù)通過ANSYS,建立塔的有限元模型[15]。點擊模型按鈕進(jìn)入網(wǎng)格階段，因為每個塔的直徑和高度都不相等，所以密集的柵格級別是不一樣的，網(wǎng)格的塔如圖3-3-3所示，基座被用于活動約束，所以他的網(wǎng)格更密集，如圖3-3-4所示：圖3-3-3塔筒的網(wǎng)格劃分3-3-4底座的網(wǎng)格劃分3.4應(yīng)力計算及snsys模擬分析某定型1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組錐筒塔架的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：塔架筒壁材料為Q345E合金鋼，彈性模量為210GPa，密度為7850kg/m3；塔架高度為63m，底端直徑為3.955m，頂部直徑為2.655m，底端的壁厚為28mm，頂部的壁厚15mm；葉輪和機艙的總重為50噸；葉輪及機艙的中心到塔頂?shù)母叨葹?.46m；葉輪及機艙質(zhì)量中心到塔架中軸線的距離為1.2m，風(fēng)速為13m/s[16]。通過靜力分析出，塔架是穩(wěn)固的，那么塔身底端全部的節(jié)點會受到滑移自由和旋轉(zhuǎn)自由的束縛，它的值是0。風(fēng)機塔架承載主重力和風(fēng)機自重、風(fēng)機負(fù)荷和風(fēng)荷載，切換到坐標(biāo)系，可分解為三分力和扭矩。我們采用不同的壁厚模型進(jìn)行有限的數(shù)值模擬，它的結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近實際的工程塔架。在對塔的變形和應(yīng)力研究基礎(chǔ)上，我們計算出了塔頂?shù)奈灰坪妥畲髴?yīng)本力。其計算結(jié)果列于表3-4-1中。表3-4-1塔架的位移以及應(yīng)力計算結(jié)果名稱理論計算文獻(xiàn)計算ANSYS無門洞ANSYS有門洞整體建模分段建模整體建模分段建模76.776.379.479.779.180.7從表2.1可以看出，塔底的形狀不相同。截面的慣性矩的變化對塔頂位移和塔底應(yīng)力有影響。因而，為了保證機器通常的正常安全運行，在工程的實際安裝過程中，應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)整葉輪所在位置。另外，因為計算得出總體建模與分段建模的結(jié)果都很小，所以對于研究有限元建模統(tǒng)計分析就很方便，可以把全部建模用在項目的初步規(guī)劃中。在進(jìn)行風(fēng)力機塔架的靜應(yīng)力分析之前，我們先對風(fēng)力機底座進(jìn)行固定約束，即x，y，z方向上的自由度都為0，如圖3-4-2所示：圖3-4-2風(fēng)力機底座固定約束示意圖風(fēng)力機頂部需要加上風(fēng)機的重量，經(jīng)查閱資料可得風(fēng)機重約10噸，折合應(yīng)力為98000牛頓，塔筒自重為50噸折合應(yīng)力為49000牛頓，如圖3-4-3所示：3-4-3頂部風(fēng)機受力示意圖3-4-4塔頂受力數(shù)據(jù)在風(fēng)力機所處的沿海地區(qū)中，塔架所受的風(fēng)大都是平行風(fēng)，因此本課題所施加的風(fēng)載荷垂直于X軸，取平均風(fēng)速為13m/s的情況下，按照前文所分析的公式（3-3），根據(jù)伯努利方程可求得此時的風(fēng)載荷等效應(yīng)力為20929牛頓，如圖3-4-5和3-4-6所示：3-4-5塔筒所受風(fēng)載荷示意圖3-4-6風(fēng)載荷計算數(shù)據(jù)結(jié)合思考上面各類條件，經(jīng)過ANSYS的模擬計算得出塔架在正常工作時其載荷情況下的變形狀況和應(yīng)力狀況會跟著塔架高度變形、應(yīng)力的變化曲線，如圖3-4-7以及3-4-8所示，由圖可知，風(fēng)力機塔架所受的最大應(yīng)力為3-4-7風(fēng)力機塔架的總變形示意圖3-4-8風(fēng)力機塔架的等效應(yīng)力圖從風(fēng)力機塔架的等效應(yīng)力圖與風(fēng)力機塔筒的總變形圖，能夠得到對應(yīng)得塔筒的位移和他們之間的關(guān)系以及在應(yīng)力和位移之間的關(guān)系路線。具體步驟為：在進(jìn)入到StaticStructural-Mechanical模塊中右擊Model（A4），單擊insert按鈕，選擇ConstructionGeometry，相同的步驟右擊insert選擇Path，具體的參數(shù)設(shè)置為塔筒開始的點選擇塔底座，具體數(shù)據(jù)為X：1.3275m；Y：1.3275m，Z：66.05m。結(jié)束的點選擇塔頂，具體數(shù)據(jù)為X：1.9775m，Y：1.9775m，Z：0。在Solution（A6）中右擊insert，依次調(diào)選出等效應(yīng)力（Equivalent）和位移（TotalDeformation），設(shè)置ScopingMethod為Path。最后右擊Solution（A6）進(jìn)行求解，所求得的結(jié)果如圖3-4-9和3-4-10所示：圖3-4-9塔架的位移-高度曲線圖3-4-10塔架的應(yīng)力-高度曲線從圖3-4-9和圖3-4-10分析可知，塔架越高則塔架所承受的相對應(yīng)力就越小，但與此同時，隨著塔架的越來越高，塔筒的位移也就越大。因此，在實際工程中還需要考慮塔筒的高度是否滿足要求，防止應(yīng)力過大而造成不必要的損失[17]。3.5本章小結(jié)1.結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，思考到風(fēng)力發(fā)電機塔筒的特質(zhì)及特性，我們就可以構(gòu)造出塔筒的幾何模型。把理論值和ANSYS模擬的結(jié)果進(jìn)行了對比，驗證塔筒建模的正確性，并且塔筒的位移和受力情況都能滿足實際工程中的應(yīng)用2.在進(jìn)行靜力學(xué)的計算時，塔架越高，塔筒的位移也就越大。塔筒在載荷力的作用下，靜應(yīng)力在塔筒上的呈非線性分布規(guī)律。隨著部分截面尺寸的變化，對于開了門洞的塔底，它的塔頂部位移及底端應(yīng)力要比不開門洞的時候大。塔架在沒有受到風(fēng)速的影響下，塔頂?shù)奈灰坪退椎膽?yīng)力與風(fēng)速是呈正比關(guān)系的。3.經(jīng)過靜應(yīng)力分析之后，我們可以檢測塔筒的結(jié)構(gòu)強度是否能夠滿足實際工程應(yīng)用、最大位移在不在安全指標(biāo)之內(nèi)。這也為塔筒的動力學(xué)分析打下了基礎(chǔ)。

第四章風(fēng)力機塔架的疲勞分析評價磨損、腐蝕和斷裂是結(jié)構(gòu)失效的三種主要形式和三大原因。其中斷裂經(jīng)常發(fā)生突然，往往造成災(zāi)難性的事故，因此更注重斷裂的破壞。斷裂是由多方面造成的的。據(jù)分析，占三分之二以上的斷裂事故是由結(jié)構(gòu)疲勞造成的[17]。比如制造業(yè)項目和風(fēng)力發(fā)電項目，很多事故都是由疲勞主要造成的。通常來說，疲勞主要是因為結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載或者隨機荷載作用下破壞形成的，因而，我們在對結(jié)構(gòu)的疲勞研究具有非常重要的意義。4.1疲勞分析的基本理論4.1.1結(jié)構(gòu)的疲勞定義疲勞是指在交變應(yīng)力作用下，構(gòu)件在多次循環(huán)后的突然斷裂。外部負(fù)載的數(shù)量與結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。根據(jù)實驗得出，疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展和最終破裂都是應(yīng)力隨著交變應(yīng)力作用開裂的本質(zhì)。因而，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力下降時候，它的疲勞壽命隨之延長。在工作時，大于510的疲勞問題被稱為高頻率疲勞或者是低頻率疲勞。疲勞壽命是結(jié)構(gòu)損傷的循環(huán)應(yīng)力載荷[17]。4.1.2影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要因素對于影響結(jié)構(gòu)靜態(tài)強度的因素也會影響到疲勞強度或疲勞壽命，但它們影響的主體不同。除了結(jié)構(gòu)材料外，結(jié)構(gòu)、截面尺寸和表面狀態(tài)也有關(guān)系。1．結(jié)構(gòu)外形的影響在工程的實際工作中，因為施工的工藝要求，如螺紋、溝槽、孔等，它們的結(jié)構(gòu)截面尺寸通常會發(fā)生相應(yīng)變化。因為結(jié)構(gòu)的形狀變化(缺口或橫截面)加大了某些部件的應(yīng)力和張力，一般稱為應(yīng)力集中。實驗結(jié)果證明，應(yīng)力集中會引起疲勞裂紋的構(gòu)成，應(yīng)力集中對于疲勞強度也有著十分重要的影響，同時對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命起著非常重要的作用。2．構(gòu)件截面尺寸的影響通過彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗證明，因為構(gòu)件截面尺寸的減小，致使疲勞極限增加。由于最大應(yīng)力時是一樣的,表面的高應(yīng)力區(qū)域的體積大尺寸組件的比體積小的組件,所以疲勞裂紋形成的概率大尺寸組件的比體積小的組件。實驗結(jié)果證明，隨著構(gòu)件尺寸越大，它的疲勞極限就越高;材料的靜強度就越大，從而對構(gòu)件疲勞極限的影響就越大。因而，大尺寸構(gòu)件的疲勞極限應(yīng)小于小尺寸構(gòu)件的疲勞極限，因此我們應(yīng)結(jié)合實際結(jié)構(gòu)的疲勞進(jìn)行分析思慮[18]。3．表面加工質(zhì)量的影響疲勞裂紋通常發(fā)生在構(gòu)件表面，構(gòu)件表面常有各種缺陷。因而，零件表層部分的加工質(zhì)量和狀態(tài)會對構(gòu)件的疲勞強度產(chǎn)生明顯的影響。實驗結(jié)果證明，表層的質(zhì)量處理越低，疲勞極限就越大，材料的靜強度也就越高，加工質(zhì)量對構(gòu)件疲勞極限的影響就會越大[18]。4．載荷頻率的影響因為腐蝕或高溫的影響，由于結(jié)構(gòu)的高周疲勞，其加載頻率對結(jié)構(gòu)疲勞極限會有很大影響。然而，負(fù)載頻率對疲勞極限的影響是非常小的，當(dāng)空氣在室溫下在干浴測試。由于加載頻率的加大，結(jié)構(gòu)的疲勞極限和壽命也會稍微加大。4.1.3結(jié)構(gòu)疲勞的研究方法疲勞壽命分析方法作為結(jié)構(gòu)疲勞研究的主要研究方法之一。在多個領(lǐng)域研究中不同學(xué)科對疲勞問題的研究內(nèi)容以及目的是不同的[19]。材料學(xué)科中的疲勞問題，說明了材料是在多次荷載作用下?lián)p傷產(chǎn)生和演化的機理。結(jié)構(gòu)和機械設(shè)計研究主要是對抗疲勞設(shè)計的研究，而宏觀力學(xué)則偏向于對光滑或者簡單的缺口試樣進(jìn)行多次載荷的力學(xué)行為。在實際工程中，一般實用的疲勞壽命分析方法一般有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和應(yīng)力應(yīng)變場強度法等。由于計算機技術(shù)與有限元分析的不斷發(fā)展，疲勞壽命分析方法也受到大眾的歡迎[19]。在對產(chǎn)品的開發(fā)階段，可以對不同計劃的疲勞壽命品質(zhì)進(jìn)行對比，而且能夠檢查出產(chǎn)品的疲勞壽命是否滿足設(shè)計的實際要求，從而實行抗疲勞設(shè)計[19]。4.2塔架的疲勞ANSYS分析基本原理1.疲勞累積損傷當(dāng)最大應(yīng)力超過了它的疲勞極限時，部件就會產(chǎn)生一定的破壞，破壞是累積損傷，當(dāng)累積到一定臨界值時，發(fā)生疲勞破壞。這就是累積損傷。是指在給疲勞累積損傷理論下定義時，常常會以疲勞損傷D和疲勞損傷的演變dD/加作為基本量，而且其疲勞損傷￡>具備明確的物理意義，并與實驗數(shù)據(jù)有一致的疲勞損傷演化規(guī)律。對于疲勞累積損傷理論，有兩個問題需要我們解決：（1）用循環(huán)荷載確定材料或部件的損傷程度；（2）怎么區(qū)分失效時的臨界損傷值。對于定義疲勞損傷的方法有很多，但多數(shù)是采用宏觀現(xiàn)象學(xué)來定義的。不能準(zhǔn)確給出損傷程度，實際應(yīng)用中會出現(xiàn)一些誤差?，F(xiàn)今國內(nèi)外的一些學(xué)者希望能夠通過對連續(xù)介質(zhì)損傷理論的理論分析，但是他們對于所有的應(yīng)用都沒有可支撐的理論數(shù)據(jù)分析，尤其是對于復(fù)合材料的分析研究，因為其多向異性的特點，給分析也形成了一定的困難[19]。下面是給出的最通用的一些疲勞累積損傷模型，在沒有找到更好的分析方法時可以作為一種選擇。1945年，Miner基于網(wǎng)損材料吸收原理，提出了線性累積損傷的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)材料吸收凈功的原理，設(shè)材料在破壞時吸收的凈功為W，材料經(jīng)次應(yīng)力循環(huán)吸收的功為，若材料經(jīng)次應(yīng)力循環(huán)后發(fā)生破壞，則：（4.1）同理，設(shè)為經(jīng)過次應(yīng)力循環(huán)材料吸收的功，且材料經(jīng)過次應(yīng)力循環(huán)后破壞，則：（4.2）在材料破壞時有：（4.3）由公式（4.1）-（4.3）可知：（4.4）由式子（4.4）可寫成：（5.5）此外，還有一些其他線性疲勞累積損傷理論。表4-1給出了一些常用的線性理論，并詳細(xì)介紹了各個理論的具體用法。表4-1線性疲勞累積損傷理論作者累積損傷模型材料參數(shù)PalmgrenMiner損傷定義破壞準(zhǔn)則Lundberg損傷定義破壞準(zhǔn)則shanleg損傷定義破壞準(zhǔn)則nGrover損傷定義破壞準(zhǔn)則2．名義應(yīng)力法名義應(yīng)力法就是從材料的S?N（如圖4-2）曲線出發(fā)，考慮構(gòu)件的表面質(zhì)量狀況、尺寸等諸多因素對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)疲勞危險部位進(jìn)行的疲勞強度或疲勞壽命計算[19]。（1）在靜力強度分析的基礎(chǔ)上，確定了結(jié)構(gòu)疲勞破壞的可能位置（2）計算危險部位的名義應(yīng)力，確定應(yīng)力集中系數(shù)（3）危險部分的名義應(yīng)力譜由載荷譜決定（4）根據(jù)疲勞損傷累積理論，對結(jié)構(gòu)危險件的疲勞壽命進(jìn)行了估算圖4-2S-N疲勞曲線ANSYS疲勞模擬分析1.ANSYS疲勞分析的基本步驟：（1）輸入后置處理器POST1，還原數(shù)據(jù)庫。（2）規(guī)模的疲勞性能，疲勞計算的建立，材料和疲勞計算的位置，需要包括：定義的位置的最大數(shù)目，事件和荷載；材料疲勞性能的定義；定義材料的疲勞性質(zhì)；定義應(yīng)力位置和應(yīng)力集中系數(shù)。（3）存儲壓力，指定事件數(shù)、周期和比例因子。ANSYS采用雨流計數(shù)法，自動計算所有可能的應(yīng)力范圍。(4)激活疲勞計算(5)查看計算結(jié)果4.4本章小結(jié)在風(fēng)機運行過程中，葉輪和風(fēng)荷載不斷沖擊塔架，使風(fēng)機在正常工況和極限載荷作用下產(chǎn)生疲勞損傷。本文對風(fēng)機額定使用壽命范圍內(nèi)，外載荷大約對塔架沖擊61.6×10次。由計算可以知塔架的疲勞壽命系數(shù)D=0.82464<1，那么塔架滿足疲勞設(shè)計要。

第五章結(jié)論與展望因為風(fēng)力機的空氣動力學(xué)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，而且因為葉片的各向異性復(fù)合，即使到了今天，風(fēng)機的回應(yīng)與運行對氣動性能的影響，仍然是葉片氣動問題的關(guān)鍵和難點問題。風(fēng)機葉片的使用壽命在很大程度上取決于疲勞壽命，因此對其疲勞壽命的分析具有重要意義。各章的主要內(nèi)容如下：第一章介紹了選題的背景和意義。在此背景下，主要介紹了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、風(fēng)力機及其葉片、復(fù)合材料疲勞等相關(guān)內(nèi)容。其次，闡述了國內(nèi)外風(fēng)力機葉片疲勞分析的現(xiàn)狀。最后，對本文所做的工作做了簡要的介紹。第二章主要介紹了風(fēng)力機的組成結(jié)構(gòu)以及它的理論分析，引出了有限元分析軟件的由來，通過ANSYS進(jìn)行有限單元的研究。第三章是本文的重點部分，利用ANSYS軟件對風(fēng)電塔架進(jìn)行建模，然后對風(fēng)電機組的負(fù)荷進(jìn)行了計算和比較，重點研究了工作風(fēng)速范圍、湍流風(fēng)的作用、平均風(fēng)速對應(yīng)的不同負(fù)荷。第四章主要應(yīng)用ANSYS軟件對風(fēng)力機塔筒進(jìn)行疲勞壽命分析的驗證，分析了疲勞破壞的幾種形式；確定了疲勞分析選用的S-N曲線。第五章為全文的總結(jié)與展望。本文采用ANSYS軟件將其應(yīng)用于計算缸頂荷載值對應(yīng)的應(yīng)力值時，指數(shù)函數(shù)的經(jīng)驗方程計算在不同的周期下應(yīng)采用單刃力作用下。據(jù)推測，對應(yīng)于每個風(fēng)速對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)的百分比對應(yīng)于每個風(fēng)速在葉片的整個生命周期的分布。最后，根據(jù)Miner線性累積損傷法則，就可以計算塔架疲勞壽命。影響疲勞計算的主要因素如下：（1）由于風(fēng)電機組負(fù)荷分析的簡化，實際工作運行中的負(fù)荷要復(fù)雜得多，從而導(dǎo)致預(yù)測壽命的增加；（2）只考慮正常工作條件，不考慮正常停機、緊急停車、啟動、怠速、停機等；（3）S-N曲線中參數(shù)的選取會對結(jié)果造成影響；（4）Miner法則沒有考慮加載次序的影響；線性累積損傷計算，無應(yīng)力作用在生命周期的疲勞極限以下，實際上造成一定程度的物質(zhì)損失，降低使用壽命，且低于疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)中所占比例很高的總周期.然而，到目前為止，風(fēng)電塔壽命預(yù)測大多采用Miner規(guī)則，因此需要更合理的FRP葉片疲勞累積損傷理論，需要進(jìn)一步研究。為了計算疲勞極限下的應(yīng)力循環(huán)引起的損傷，必須修正疲勞性能曲線。如果原來的S-N曲線的斜率延伸到疲勞極限較低的部分，這可能會導(dǎo)致過于保守的計算。怎樣才能更好地糾正這種方法引起的誤差需要我們進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)[1]遲遠(yuǎn)英，張少杰，李京問.國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)