基于數(shù)值模擬的風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于數(shù)值模擬的風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

仿真設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用模擬設(shè)計(jì)技術(shù)是目前國(guó)際上流行的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)。它在廣泛吸收了現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)等學(xué)科的理論基礎(chǔ)上，發(fā)展成為一門(mén)領(lǐng)先的學(xué)科。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù),可對(duì)許多工程中的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值仿真,從而加快了設(shè)計(jì)的速度,是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動(dòng)力之一常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路線通常為:類(lèi)比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造樣機(jī)性能測(cè)試樣機(jī)尺寸修改再制造樣機(jī),直至滿(mǎn)意。這其中結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)由于采用的是類(lèi)比、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),有時(shí)即使做一些強(qiáng)度校核,也只是用很粗糙的方法來(lái)進(jìn)行,在樣機(jī)制造出來(lái)之前,無(wú)法知道其設(shè)計(jì)的可靠性,因此,必須要通過(guò)制作樣機(jī),進(jìn)行檢測(cè),才能確知設(shè)計(jì)的合理性。如果設(shè)計(jì)中某個(gè)參數(shù)不合理,只有等到下次制作時(shí),才能進(jìn)行修改。因此,常規(guī)的設(shè)計(jì)方法使研制周期增長(zhǎng),設(shè)計(jì)中的盲目性很大。而仿真設(shè)計(jì)技術(shù)是建立在國(guó)際通用的大型軟件平臺(tái)之上,它成功地將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、有限元技術(shù)和數(shù)據(jù)的前后處理技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起,在計(jì)算機(jī)里將要設(shè)計(jì)的零件三維地設(shè)計(jì)出來(lái),通過(guò)加載進(jìn)行計(jì)算后,很快地就可知道所設(shè)計(jì)零件的強(qiáng)度如何,結(jié)構(gòu)是否合理,直至其動(dòng)態(tài)性能。如果某處設(shè)計(jì)不合理,可在計(jì)算機(jī)里迅速地進(jìn)行修改,直至得到滿(mǎn)意地結(jié)果。由于仿真設(shè)計(jì)中不需要制造實(shí)物樣機(jī),樣機(jī)的性能檢測(cè)則用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)虛擬地由計(jì)算機(jī)來(lái)完成,這大大加快了設(shè)計(jì)的速度和可靠性。600KW風(fēng)力機(jī)的研制是國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,我們?cè)谒艿慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,利用仿真設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),并用正交設(shè)計(jì)的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,為風(fēng)力機(jī)的仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行了一次有益的探索。下面將以600KW風(fēng)力機(jī)的塔架為研究對(duì)象來(lái)具體分析。1基于通用有限元分析軟件的設(shè)計(jì)方法通過(guò)前述可知,要想進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),選擇合適的軟件來(lái)進(jìn)行建模和分析是一個(gè)很重要的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)充分的調(diào)研和比較,我們決定采用美國(guó)ANSYS公司編制的ANSYS有限元分析軟件來(lái)進(jìn)行600KW風(fēng)力機(jī)塔架的仿真設(shè)計(jì)。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、汽車(chē)交通、鐵道、石油化工、能源等領(lǐng)域典型的仿真設(shè)計(jì)方法采用如下步驟:(1)前處理:創(chuàng)建設(shè)計(jì)對(duì)象的三維實(shí)體模型及有限元模型。它包括創(chuàng)建三維實(shí)體模型、劃分網(wǎng)絡(luò)、模型修正等幾項(xiàng)內(nèi)容。設(shè)計(jì)軟件提供給用戶(hù)創(chuàng)建實(shí)體模型的界面,建好三維模型后,設(shè)計(jì)者選擇好合適的有限元單元類(lèi)型,軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格創(chuàng)建出有限元模型。(2)加載及求解:根據(jù)研究對(duì)象的受力和約束情況,對(duì)所建模型施加載荷,可加力載荷、面載荷、常力、變力等,并施加符合實(shí)際的約束條件,然后完成求解運(yùn)算。求解過(guò)程結(jié)束后,可打印結(jié)果。(3)結(jié)果后處理:通過(guò)后處理器POST1,可將結(jié)果列表、繪變形圖、作變形動(dòng)畫(huà)、支反力列表、畫(huà)應(yīng)力等值線和作應(yīng)力等值動(dòng)畫(huà)等。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,可對(duì)設(shè)計(jì)模型作出評(píng)價(jià),進(jìn)而進(jìn)行修改,直至滿(mǎn)意為止。2塔架靜力分析2.1風(fēng)力機(jī)漿葉的最大軸向力—載荷分析600KW風(fēng)力機(jī)在各種工況條件下受到的載荷是多種多樣的,其方向與大小也不同,經(jīng)過(guò)分析,我們認(rèn)為塔架承受的載荷主要是塔架上各部件的重量、塔架的自重及作用在風(fēng)力機(jī)漿葉上的軸向力。根據(jù)有關(guān)資料介紹CV——風(fēng)速(m/s);S——風(fēng)車(chē)掃風(fēng)面積(m因600KW風(fēng)力機(jī)工作時(shí)的最大允許風(fēng)速為25m/s,由此得出工作時(shí)風(fēng)輪承受的最大軸向力F風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)作用在其上的軸向力公式為Cρ——空氣密度;V——風(fēng)速;A——風(fēng)機(jī)迎風(fēng)面積。因停機(jī)時(shí)最大抗風(fēng)速度為60m/s,由此得,此時(shí)作用在風(fēng)機(jī)上的軸向力為:通過(guò)上面兩式的比較,我們可知:600KW風(fēng)力機(jī)工作在最大允許風(fēng)速時(shí),其承受的軸向力最大,下面我們將以F2.2靜力結(jié)構(gòu)分析根據(jù)上述我們計(jì)算出的風(fēng)力機(jī)承受的最大軸向力及各部件的重量,為了校核塔的強(qiáng)度,我們利用ANSYS軟件提供的結(jié)構(gòu)靜力分析來(lái)分析此問(wèn)題。靜力結(jié)構(gòu)分析的主要步驟如前所述。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算,當(dāng)以塔架為研究對(duì)象時(shí),塔架的上端受以下力的作用:其中:FFMM圖3為塔架的應(yīng)力分布圖,從圖中可知,塔的右下角靠近根部處的應(yīng)力最大,其最大應(yīng)力為σ3結(jié)構(gòu)模態(tài)分析動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的有限元法也同結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問(wèn)題一樣,要把物體離散為有限個(gè)數(shù)的單元體。不過(guò)此時(shí)在考慮單元特性時(shí),物體所受到的載荷還要考慮單元的慣性力-ρddv和阻尼力-υddv等因素,其中,ρ是結(jié)構(gòu)材料的密度;υ是線性阻尼系數(shù)。整個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿W(xué)方程為M——總體質(zhì)量矩陣;C——總體阻尼矩陣;K——總體剛度矩陣;q——節(jié)點(diǎn)位移;f——結(jié)構(gòu)所受外力。當(dāng)f=0時(shí),利用數(shù)值計(jì)算的方法解上述方程即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析主要用于確定系統(tǒng)的固有頻率和振型,它也是其它更詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)。模態(tài)分析主要由以下步驟組成對(duì)塔進(jìn)行模態(tài)分析的建模方法與塔的靜力分析的建模方法是一致的,但在分析中必須指定材料的彈性模量、密度及泊松比。建好塔架的模型后,要對(duì)塔架的底座施加約束,然后便可進(jìn)入軟件求解器進(jìn)行求解。表1列出了計(jì)算出的塔架前五階的固有頻率。4塔架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布計(jì)算經(jīng)過(guò)對(duì)整機(jī)的充分分析,我們認(rèn)為塔高、葉片尺寸、機(jī)艙等部件的尺寸由于受結(jié)構(gòu)的限制,變動(dòng)的可能性較小,我們著重對(duì)塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),而塔又是整機(jī)中最重要的部件,對(duì)塔的結(jié)構(gòu)選擇了四個(gè)可變的結(jié)構(gòu)參數(shù),分別是:Dt為減少計(jì)算次數(shù),我們對(duì)計(jì)算進(jìn)行了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),確定該試驗(yàn)為4因素3水平。4因素的3水平值如表2所示。通過(guò)計(jì)算可得出每一試驗(yàn)號(hào)的計(jì)算結(jié)果如表3(每一試驗(yàn)號(hào)取前五階固頻,分別用f我們以該結(jié)構(gòu)參數(shù)能獲得最高固頻為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)計(jì)算我們可知當(dāng)試驗(yàn)號(hào)為7時(shí),其固頻最高,其對(duì)應(yīng)的塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:另一能獲得較高固頻的試驗(yàn)號(hào)為5,其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:通過(guò)上面兩組數(shù)據(jù)我們可知:增大塔底座直徑并且增大t為了進(jìn)一步檢驗(yàn)上述試驗(yàn)7或5所對(duì)應(yīng)的塔架結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,我們分別按照其結(jié)構(gòu)尺寸建立了有限元模型來(lái)計(jì)算其應(yīng)力分布,結(jié)果如表4。從上表可知,按試驗(yàn)7和5所對(duì)應(yīng)的塔架結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出的最大應(yīng)力值,均比現(xiàn)有尺寸塔架的最大應(yīng)力要小,因此,經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化方法所得到的塔架結(jié)構(gòu)尺寸是合理的,其中實(shí)驗(yàn)5所對(duì)應(yīng)的塔架結(jié)構(gòu)尺寸由于具有體積緊湊,重量輕的特點(diǎn),值得重點(diǎn)采用。5風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)本文采用先進(jìn)的數(shù)值模擬仿真技術(shù),對(duì)風(fēng)力機(jī)的塔架進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)性能的分析,通過(guò)計(jì)算,證明這樣方法是切實(shí)可行的,為風(fēng)力機(jī)的仿真設(shè)計(jì)創(chuàng)出了一條新的路子,為我國(guó)產(chǎn)品的更新?lián)Q代及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探索。經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,我們可得出如下結(jié)論:(1)本風(fēng)力機(jī)具有三葉片風(fēng)輪,由于掃掠面上部和下部的平均風(fēng)速不同,每轉(zhuǎn)一周塔架受激振動(dòng)3次。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速n=30rpm=0.5Hz,則作用在塔身上的軸向推力的頻率為3n=1.5Hz。而計(jì)算出的塔架一階固頻為1.3189Hz,介于0.5Hz和1.5Hz之間,因此所設(shè)計(jì)的塔為“柔塔”。(2)通過(guò)對(duì)塔進(jìn)行靜力分析可知,塔的最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔的根部,隨著塔的高度增加,應(yīng)力逐漸減小,因此塔的截面按照變截面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)是正確的。通過(guò)對(duì)塔的4因素3水平的正交優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高塔架動(dòng)剛度為優(yōu)化目標(biāo),得出了塔架的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),為塔架的設(shè)計(jì)與制造提供了可靠的理論依據(jù)。(3)由于整機(jī)承受的軸向推力頻率比塔架的第一階固頻要高,因此風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中要穿過(guò)塔架的共振區(qū),為了減小振幅,特提出如下建議:a、啟動(dòng)速度要快,這樣可縮短穿過(guò)共振區(qū)的時(shí)間,減小振動(dòng)。b、增加塔架的阻尼,如可采用在塔的內(nèi)、外壁涂覆阻