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90风力发电机减震器毕业设计 风力发电机底座
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目 录第1章 绪论 .......................................... 11.1 风力发电概述 .............................................................................................................. 11.1.1 风力发电现状与展望.......................................................................................... 11.1.2 风力发电的原理和特点...................................................................................... 21.2 论文系统概述 ........................................................................................................ 3第2章 风力机的相关理论及本系统的结构 ................ 42．1风电机组的工作原理 ................................................................................................ 42.2 风力发电机组的分类 .................................................................................................. 52.2.1 水平轴风力发电机 ............................................................................................. 52.2.2垂直轴风力发电机 .............................................................................................. 62.3并网型风力发电机组 ................................................................................................... 62.3.1双馈风力发电系统 .............................................................................................. 72.3.2直驱式风力发电系统........................................................................................... 82.3.3三相同步发电系统 .............................................................................................. 9第3章 风力发电机组发电机减振器的研究 ............... 103.1风机用减振器简介 ..................................................................................................... 103.2减振器的工况与性能要求 ......................................................................................... 103.3减振器的计算与仿真分析 ......................................................................................... 103.3.1减振器振动分析与载荷计算............................................................................... 103.3.2减振器的有限元仿真分析.................................................................................... 113.4试验数据分析 ............................................................................................................. 123.5结论 ............................................................................................................................. 13第4章 风力机塔架结构分析 ........................... 144．1与风力发电机塔架相关的规范与计算方法介绍 ................................................... 144．2带门框塔架屈曲的工程算法................................................................................... 154．3某2 MW风力机塔架临界载荷计算 ...................................................................... 164．4塔架屈曲的有限元数值分析方法 ........................................................................... 194.4.1屈曲分析有限元方法......................................................................................... 194.4.2 2MW风力机塔架NASYS分析 .................................................................... 204.5 工程算法和有限元方法的结果................................................................................. 264.6有限元计算结果与实际破坏形式的对照 .................................................................. 264.7塔架在复合静外力作用下的有限元方法分析 .......................................................... 264.7.1塔架有限元模型的建立..................................................................................... 264.7.2整体不分段建模方式下塔架模态的计算 ......................................................... 274.8本章小结 ..................................................................................................................... 29第5章 风力发电机底座 ............................... 305.1风力发电机机舱底座计算介绍.................................................................................. 305.2机舱底座载荷分析与处理 ......................................................................................... 305.3机舱底座的强度分析 ................................................................................................. 335.3.1有限元模型与材料特性 ...................................................................................... 335.3.2风力发电机机舱底座有限元分析计算 ............................................................... 355.4机舱底座动特性分析 ................................................................................................. 355.5风力发电机机舱底座计算总结.................................................................................. 375.6本章小结 ..................................................................................................................... 38参考文献 ............................................ 40致 谢 ............................................... 42第1章 绪论风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。1.1 风力发电概述1.1.1 风力发电现状与展望全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～2.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12――关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机1.98亿KW，风电电量0.43×104亿kWh，2020年风电装机12.45亿KW，风电电量3.05×104亿kWh，占当时世界总电消费量25.58×104亿kWh的11.9%。世界风电发展有如下特点：（1）风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从600KW发展到KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机5000KW的风机,丹麦已批量建设了单机容量KW的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外,可变桨翼和双馈电机的采用,使机组更能适应风速的变化, 大大提高了效率。最近,又发展了无齿风机等,进一步提高了安全性和效率。（2）风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前10位供应了世界新增装机容量的90% 以上的份额，集中度比较高。近来，GE风能（GE Wind Energy）、德国REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。（3）风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW，其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。第一阶段是年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2千KW。第二阶段是年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化方向发展。风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业！1.1.2 风力发电的原理和特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电.风力发电有如下特点（1）可再生，且清洁无污染。（2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。（3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。本论文讨论的是前者，即独立运行风电系统的解决方案。1.2 论文系统概述该独立运行的风力发电系统结构图如下1-1所示：图1-1 独立运行的风力发电系统结构图其具体运行状况为：（1）风力吹动风轮转动。（2）风力发电机组通过连接的齿轮变速箱来提高输出端转轴的转速，该轴与发电机相连。（3）转轴带动单相交流发电机转动，开始发电。（此时发出的是频率和幅值都不稳定的交流电）。（4）引出的单相交流电通过整流器变成稳定的直流电。（5）a.若风能充足，直流电经控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电； b.若风能不足，控制电路切换为蓄电池供电状态。（6）直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电。此时即可实现为负载供电。90风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座第2章 风力机的相关理论及本系统的结构上一章中，世界各国对于能源的要求伴随着经济的进步，工业的发展在进一步的扩大中，就目前而言，风电行业迅猛发展，对风电技术的研究具有很重要的意义。本文的主要目的是针对直驱式的风电机的控制系统方案的设计作一些工作。因此首先要了解风力发电机的结构特点和风力机的工作原理。所以本章讨论了以下几个问题：1．风力机的工作原理。2．风电机的分类和几种主流的种类特性3．并网型风电机组2．1风电机组的工作原理风力发电机由机舱、塔架和叶轮组成。风的作用使叶轮旋转，而叶轮转动带动发电机，最后发电机产生电风力发电机工作原理简单的说是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能。根据德国风能会的估计，风能发电的年增长率将保持高增长率，在2012年或者值钱全球风力发电装机容量可能达到150千兆瓦。现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非推动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。分局Betz定律，理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.6%，大多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少。风力发电机主要包含三部分：风轮，机舱和塔杆。大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管塔杆上。风轮叶片由复合材料制造。不想小型风力发电机，大型的风电机的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的，通常采用2个不同的速度-再弱风下用低速和再强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接产生电网频率的交流电。机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动的转向，面向来风。风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机。在风电工业中，配有变速箱的风电机是很普遍的。不过，为了风电机而设计的多级直接驱动式发电机也有显著的发展。设于塔底的变压器可以提升发电机的电压到配电网电压。所有风电机的功率输出的方法是失速调节和斜角调节。使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作令风轮刹车。使用斜角调节的风电机每篇叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随着风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮刹车。叶片中嵌入了避雷条，遭到雷击时，可以将闪电中的电流引导导地下去。[20]2.2 风力发电机组的分类虽然风力发电机有很多种类，但是总的归纳起来也就两钟一种是水平轴的风电机，他的风轮旋转轴和风向是平行的，第二种就是垂直轴的风电机了，他的风轮旋转轴正好跟水平风电机的相反，是跟气流方向或者地面垂直的。2.2.1 水平轴风力发电机水平轴的风电机又可以分成阻力型和升力型两钟。阻力型的风电机旋转的速度比较慢。，而升力型的风电机的旋转速度比较快，对于风力发电来说，大多都会使用升力型的水平轴风电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则成为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的再一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。图2-1 风力发电装置结构简图2.2.2垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。2.3并网型风力发电机组风能是一种新型能源，他具有爆发性、随机性、不稳定性特征、能量密度低等特点。风力机转速的变化是由于风速的变化引起的，一旦缺少必要的电气或机械方面的控制，那么由风力机来进行驱动的交流发电机的转速N也会跟着改变，所以发电机的频率和输出的电压都不会是恒定不变的的。风力发电，简单地说就是把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能。风力发电机组是风力发电得以实现所需要的装置。当20世纪 80年代兴起了一种并网运行的风力发电技术，他是一项新型的能源技术，从他一开始出现就受到了全世界各国的超高度的重视，所以他迅速的实现了产业化、商品化，尤其特别的是随着控制技术、计算机、电子电力技术的迅猛发展，风力发电的技术也随之非常迅速的发展。他的控制方式从一开始单一的定桨距失速控制方式向全桨叶变距变速控制转变，乃至于向智能型的控制方向发展。风力发电机组的控制技术经历了从风力发电机组的定桨距恒速运行转变到基于变桨距技术的变速运行，可以说基本实现了他的最终目标：从仅仅只能够向电网提供电力到非常理想地向电网提供电力。以下给出了当今几种并网型风力发电系统结构图[3]，并对它们的优缺点进行了简单的概述。2.3.1双馈风力发电系统双馈式发电机是变速运行风电系统的一种，双馈异步发电机的变速运行是建立再交流励磁变速恒频发电技术基础上的。双馈电机发电系统2.2所示，发电机向电网输出的功率由两部分组成，就是直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率。双馈机的定子和电网连接在一起，转子则是由2个变频器和电网连接，发电机组可以再比较大的速度范围之内发电，机组和电网2者之间实现了能量的双向传输，这种系统中的发电机不但可以亚同步运行，即转子旋转的磁场方向和机械旋转的方向一样，n为+，电网向转子输出功率通过变频器实现。也可以超同步运行即转子旋转的磁场方向和机械旋转方向相反，n为-，当发电机在超同步速度的时候，发电机的转子和定子一起向电网输出能量。[25]双馈式风力发电系统是目前世界风力发电的研究热点之一，双馈风力发电系统是一种非常合适的变速恒频发电系统这个发电系统通过在双馈电机的转子一侧施加可以变化的三相交流电进行励磁，来调节励磁电压的幅值、相位和频率，使得定子侧输出恒频恒压。相对于传统的恒速发电系统[23]，其性能的优势体现在 ：可以追踪最大风能，提高风能的利用率；降低了输出功率的波动和机组的机械应力；提高电力系统的调节能力以及稳定性；在转子侧控制功率因数，可以提高电能质量；还能实现有功和无功功率的解耦控制等等，但是他的主要缺点是控制方式太过复杂，机组的价格相对比较昂贵。 研究双馈电机的并网控制策略并建立风电模拟系统进行试验研究对于提高电能质量，增强系统稳定性具有非常重要的意义随着电力电子技术的发展，双馈型感应发电机（Double-Fed Induction Generator）在风能发电中的应用越来越广。这种技术不过分依赖于蓄电池的容量，而是从励磁系统入手，对励磁电流加以适当的控制，从而达到输出一个恒频电能的目的。双馈感应发电机在结构上类似于异步发电机，但在励磁上双馈发电机采用交流励磁。我们知道一个脉振磁势可以分解为两个方向相反的旋转磁势，而三相绕组的适当安排可以使其中一个磁势的效果消去，这样一来就得到一个在空间旋转的磁势，这就相当于同步发电机中带有直流励磁的转子。双馈发电机的优势就在于，交流励磁的频率是可调的，这就是说旋转励磁磁动势的频率可调。这样当原动机的转速不定时，适当调节励磁电流的频率，就可以满足输出恒频电能的目的。由于电力电子元器件的容量越来越大，所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强，这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然，部分理论还在完善当中，但是双馈反应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。图2-2 双馈式风力发电机的结构图2.3.2直驱式风力发电系统直驱式风力发电系统中的发电机和风力机转子直接耦合，因此发电机的输出端的电压和频率随着风速的变化而变化。在直驱式风力发电系统中，在交流发电机和风力机之间不用安装升速齿轮箱，是因为使用了直接驱动技术，所以降低了由齿轮箱引起的噪声污染并且减少了维修的周期。保证发电机组的电压幅值、相位、频率和电网一致，可以实现风力机组并网。在该发电机组系统中这种电机的转子外园和定子内径的尺寸大大的增加，但是他轴向长度却相对较短是为了可以简化系统的控制结构，降低发电机的质量和体积，使用永磁电机可以具有最大的优势，因为他的低速交流发电机的转子级数比普通交流同步发电机的级数多得多。。直驱式永磁同步风力发电系统结构示意图如图2.3所示图2-3直驱永磁同步风力发电系统风电系统需要使用大功率电子电力器件将发电机运作发出的全部的交流电流经逆变/整流装置的转换之后并入电网。有一种绝缘栅极双极形晶体管叫做IGBT。它是结合了功率场效应晶体管和大功率的晶体管2者特点的一种复合形电子电力器件，他不仅具有大功率晶体管的导通压减低、电流能力大的优点，而且还有驱动功率小、工作速度快的优点。而直流环节可以维持母线的电压恒定是因为并有一个大的电容。[27]这个风电系统有以下几个优点：首先该方案可以独立的设计逆变器的部分，并且在一定的程度上实现了该系统的解耦控制，并提高了系统运行的可靠性；其次低速电90风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座机是本系统中的永磁同步电机，他可以和风力机非常好的匹配，而风力机也可以直接和永磁发电机耦合，使机组的结构大大的简化，省去了其他的发电系统中的增速箱，降低了噪音并也减小了发电机的维护工作；最后该发电机有体积小，效率高，结构简单，损耗小，重量轻等等特点。既然有优点，缺点也是必不可少的，他的缺点就是需要2个全功率的电力转换器，不过比起升速系统中所使用的升速齿轮箱结构，他的应用，可能还是以后风电发展的一个趋势。[22]直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。2.3.3三相同步发电系统近些年来随着电子电力技术的发展，在电网和同步发电机中使用变频装置，已经从技术上解决了“刚性连接”的问题，使用同步发电机的方案再次得到了人们的重视。小型风力发电系统一般由风力机直接驱动三相永磁同步发电机发电，发电机输出地三相交流电。原始的恒速恒频风力发电系统使用的是比较常见的三相同步发电机，风力机使用定桨距的控制技术，发电机与电网通过断路器直接连接在一起，发电机还通过齿轮箱和风力机连接在一起。因为同步发电机在运行中，不仅能输出有功功率还能提供无功功率，他的电能质量高，频率稳定，所以现在已经被电力系统广泛的使用。但是，风速的无规律变化，使得作用在转子上的转矩很不稳定，在并网的时候他的调速的性能非常难达到同步发电机的精度要求，所以他在风力发电几组上的使用效果达不到理想要求。因此三相同步发电系统需要励磁机构和调速机构对同步发电机的电压、频率和功率进行为之有效的控制，不然可能会造成非常严重的无功振荡与失步。普通三相同步发电机的风电系统结构的示意图如图2.4所示。风力机的功率的控制使用了变桨距的调节方式是为了能够捕获到最大的风能。全功率变换器的变速恒频同步风电系统是由发电机的转子侧经由励磁控制器来调节发电机的励磁电流达到控制发电机定子侧的输出电压幅值和定子侧经由电网和功率变换器来实现的“柔性连接”来构成的。[24]图2-4 三相同步风力发电机型风力发电系统第3章 风力发电机组发电机减振器的研究3.1风机用减振器简介来自风力发电机的噪声一部分是由机械运动产生的；一部分是由空气动力产生的。其中机械噪声主要是由机舱内的旋转机械，尤其是齿轮箱和发电机产生的。为了减少风机运行时齿轮箱和发电机传递到机架和塔架上的噪声，在齿轮箱、发电机与机架之间皆必须安装橡胶减振器[2]。风力发电机组用减振器由于其价值量低、风险高及开发成本高，所以风力发电机主机厂商一般不自行研制。目前在此领域中的国内外制造商主要有德国的ESM、西班牙的AMC 和我国的株洲时代新材料股份有限公司（TMT）。TMT 公司拥有国家级的弹性元件检测中心，早期从事轨道机车车辆减振产品的研制，随后业务不断拓展到其他领域。本文主要介绍一种1.5 MW 风力发电机组发电机减振器的研制过程，通过有限元仿真分析并结合实验数据来确定产品所使用橡胶的性能。3.2减振器的工况与性能要求风力发电机组功率1.5 MW，发电机重量8.5 t，发电机与机架之间安装四个相同的减振器。发电机额定工作时的扭矩12 kN?m，出现短路时的极限扭矩85 kN?m。要求发电机正常工作时不发生共振，振幅控制在±2 mm 之内，减振效率不小于90，承受极限载荷时减振不发生破坏。根据风机的整体结构尺寸与性能要求，将减振器设计成如图1 所示的结构。该减振器采用两件锥形橡胶弹簧反向并联的结构，不仅能承受垂向载荷，还能承受横向载荷。上、下两弹性体的性能相同，组装时二者各预压缩5 mm，可以通过调整弹性体中橡胶的性能来实现发电机减振器性能的调整。3.3减振器的计算与仿真分析3.3.1减振器振动分析与载荷计算为确保减振器能够有效地起到减振降噪的作用，需要选择合适的刚度，还必须要保证其额定承载能力，因此需对减振器进行振动分析和载荷计算。（1）减振器的振动分析该发电机减振器的设计要求其减振效率E 不小于90%，那么其隔振系数η 和频率比Z 分别为：η = 1? E = 0.1 Z ≈ 1η = 3.16由于发电机激励频率fm＝60 Hz，所以系统的固有频率为：f = f / Z =19 n m Hz；从而系统的整体刚度为：k (2 ? f 2 )?m = 60.45 n ＝ π整体 kN/mm那么单个减振器的刚度为：k ≈15 kN/mm（2）减振器的载荷计算发电机扭转作用于减振器的动载荷为：F＝T/(2P)其中：T 为扭矩；P 为发电机的径向跨距发电机作用于单个减振器的额定载荷为：Fmean＝F1＋G/4＝25.2 kN发电机作用于单个减振器的极限载荷为：Fmax＝F2＋G/4＝62.8 kN其中：F1 为额定动载荷；F2 为极限动载荷。发电机在额定工作时减振器变形量为1.68 mm，满足设计要求。3.3.2减振器的有限元仿真分析在减振器的刚度性能确定之后，需要对其在不同工作状态下的应力应变情况进行有限元分析，以验证产品结构的可靠性，并对胶料性能的设计选择提供有效的参考依据。（1）有限元分析模型本次采用Abaqus 6.4 软件对发电机减振器的结构与刚度性能进行有限元分析，本分析中采用的单位系统为国际单位制（SI），即mm、N、MPa。橡胶的本构方程是基于Mooney-Rivlin 的应变能密度函数。不考虑金属与橡胶之间的粘接强度，将橡胶与金属绑定在一起作整体分析。金属材料为Q235B、45 钢和QT400-18；弹性材料为天然橡胶NR。根据产品轴对称的结构特点对模型的细节进行几何简化处理，得出如图2 所示的有限元分析模型。模型中的橡胶采C3D8H单元，金属件采用C3D8R单元，网格数量为4320。图2 减振器的分析模型图（2）载荷与约束条件本次分析的载荷和约束条件为：首先底座完全约束，通过载荷作用消除上、下两型芯之间的间隙来实现上、下两弹性体各5 mm 的预压缩；然后，通过螺栓将上、下型芯联接在一起，再在上型芯的上部施加2 mm 的位移载荷。（3）计算结果分析对不同橡胶硬度的弹性体进行有限元计算，得出不同橡胶硬度的产品变形2 mm 时的刚度曲线，如图3-1 所示，可以计算出胶料硬度为55、60、65 和70 shore A 时，产品的刚度分别为16.4、21.7、28和34.5 kN/mm。根据产品的设计要求，弹性体所使用的胶料硬度应该接近55 shore A。图3-1图3-1 不同胶料硬度时产品的刚度曲线为了验证使用55 shore A胶料时产品的可靠性，特在上部型芯上施加62.8 kN 的极限载荷，以观察产品的应力分布情况。经过有限元计算，得出应力分布情况如图4 所示。产品所受的最大应力在弹性体的中隔板上，为78.3 MPa，远小于Q235B 的屈服强度，所以是安全的。从橡胶部分的变形情况可知，产品在垂向载荷作用下橡胶发生剪切和压缩变形，由于橡胶泊松比接近0.5，几乎不可压缩。若垂向变形较大，橡胶将会从上下端面逐渐向外鼓，下弹性体的橡胶部位最大变形量为8.74 mm（图5），据此看出有限元分析可以有效模拟橡胶产品在工作状态时的变形情况。图4 承载62.8kN 时 图5 产品承载62.8kN 时产品的应力分布图 下弹性体的变形分布图3.4试验数据分析根据有限元分析的结果对产品进行试制。首先采用的胶料硬度为60 shore A。在经硫化、组装后对产品进行了刚度性能实验。实验在CSS-44600 电子万能试验机上进行，实验图如图6 所示。试制产品的刚度曲线如图7 所示，可以计算出产品在变形量为0～2 mm 间的刚度约为19 kN/mm；根据设计要求，胶料硬度为60 shore A 时产品的刚度偏大。采用硬度为55 shore A 的胶料试制了2 件产品，经测试产品的刚度性能曲线如图8 所示，可以计算出刚度值为14.48 kN/mm 和14.52 kN/mm。参照标准EN13913，二者的性能在允许的公差范围之内，所以该产品应该选用硬度为55 shore A 的胶料图3-2图3-3图3-43.5结论（1）通过对发电机的振动分析和载荷计算，产品刚度值为15 kN/mm 是合适的，能够有效地起到减振的作用。（2）根据有限元分析的结果以及试验数据的综合分析，产品应采用硬度为55 shoreA 的胶料；在极限载荷的作用下，产品是安全可靠的。90风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座第4章 风力机塔架结构分析4．1与风力发电机塔架相关的规范与计算方法介绍目前，大中型风力发电机组塔架大都采用圆锥筒形薄壁结构。塔架除本身受到用在塔身上的空气动力载荷和塔架本身的重力外，主要还受到风轮、机舱重力及其偏心弯矩、风轮传递的推力以及偏航力矩等，其薄壁筒的结构形式，决定其整体或局部的屈曲失稳破坏是其主要的破坏形式之一，而且由于拉压、弯曲以及扭转变形的耦合，使得其屈曲分析变得非常复杂。塔架的屈曲或失稳是指当塔架承受的载荷超过某一临界值时突然失去原有平衡形式或几何形状的现象。研究塔架稳定性目的在于确定塔架的临界载荷及其相应的失稳模态，以改进和提高加强措施，提高结构的抗失稳能力。塔架的屈曲不仅与其所受载荷，更与其圆柱壳结构有密切关系。圆柱壳为高度缺陷敏感型结构。而实际塔架不可避免地存在着各种形式的缺陷，如方便人员进出的门框、焊缝、塔筒厚度的变化以及局部变形等，使得屈曲临界应力远低于轴向受压圆柱壳屈曲失稳的计算值1151。近年来的研究表明，圆柱壳的屈曲应力随缺陷幅值的增大而急剧下降。当缺陷幅值6为圆柱壳壁厚t的0．1倍时，屈曲应力可下降40％。由于缺少必要的研究和设计规范指导，圆柱壳形塔架的屈曲事故时有所闻，即使在欧美等国对圆柱壳理论研究较为深入、设计规范相对完善的国家，也经常有圆柱壳结构破坏的报道。而我国，特别是风力机研究领域，对圆柱壳形塔架整体或局部屈曲失稳的研究相对薄弱。目前，塔架的强度和稳定性分析一般均采用工程算法进行设计，如DNV风机设计指南，德国标准DINl8800．4以及英国标准EC 3 partl．6等[19，20l。但由于塔架存在门框结构等，使得传统的壳体屈曲计算不再适用，相应地，尽管如GL规范对DINl8800―4中的壳体屈曲计算方法进行了改进，但是仍然存在一定的限制条件，如门框的结构形式限制等。随着风力发电机组的发展，塔架门框的门段设计呈现出多样化趋势，现代许多风力机塔架的门段设计，使得某些经验算法不再适用。因此，在带有门框的塔架屈曲设计中，有限元等数值分析方法被引入。有限元方法能分析各种复杂的载荷形式和门框结构，但是，在某些方面仍然存在一些困难，在某些情况下，只能作为一种辅助手段，需要与工程算法结合进行塔架的屈曲强度设计。本文介绍了丹麦标准中有关局部屈曲强度的工程算法，并结合GL标准中对塔架带门框结构的修正，对带门框塔架的屈曲强度工程算法进行了总结；应用有限元分析软件ANSYS WORKBENCHT具，对有限元方法在带门框塔架屈曲强度分析中的应用进行了研究。具体针对一个1．5兆瓦变速变桨距风电机组塔架，用有限元法分析了其有无门框的条件下的屈曲强度和屈曲模态，并与工程算法的分析结果进行了对比分析。为大型风力机圆锥筒形塔架的屈曲强度分析提供了实用的工程算法和数值计算分析手段。4．2带门框塔架屈曲的工程算法在风力机塔架设计中，塔架的屈曲强度常常处于支配地位，可以说，塔架的承载能力取决于屈曲强度，研究表明，该强度直接与其壁厚相关[2q。风力机用DIN1 8800标准并根据具体情况进行改进，丹麦标准等。简述如下： 塔架在承受偏心载荷时，其轴向力和弯矩所引起的应力和分别为：（1）和（2）其中，Ⅳ。和M。分别为轴向力和弯矩，r，尺分别为圆柱壳的厚度与半径。缩 减因子s由下式计算：（3）（4）由弹性理论，临界压缩应力为：（5）E，y分别为弹性模量与泊松比。对钢铁材料，上式近似为：（6）对局部屈曲，相对细长比为(7)，为材料屈服极限。如果九≤0．3，临界压缩应力为：(8) 如果塔架总高度日没有超过，则 （9）大型风力机一般具有门框结构，且形式各异，为此，GL规范对上述壳体屈曲计算方法进行了修正。对于边缘加固圆弧形门框，屈曲临界应力需乘上折减因子Cl，即（10）式中，折减因子C1根据门框形式，取（11）称为影响系数，其取值由表4―1确定。表中万表示门框沿塔筒周长的孔径角，如图4．1所示。应用11式应满足条件：I．塔筒半径与厚度之比应满足R／t≤160；II．门框孑L径角万≤600；III．门框高宽比7ll／b,≤3。式(4．11)中没有考虑加强筋的影响。4．3某2 MW风力机塔架临界载荷计算按照以上工程算法，针对一个1．5MW变速恒频风电机组圆柱形塔架进行屈曲临界载荷分析。塔架为圆锥筒型薄壁结构，材料为Q235钢材，塔架底部固定，结构总体设计参数和塔架尺寸如下：额定功率2000kW，塔架高度65m，底部外径4m，底部内径3．96m，顶部外径3m，顶部内径2．98m，风轮及机舱重量G：650000N，风轮及机舱重心距塔架中轴的距离1．5m，门洞宽1．2m，高3m，塔架结构如图4．2所示。Q235材料屈服强度q=235MPa，弹性模量210GPa，泊松比0．3，考虑到塔架底部外径，门洞高度结合圣维南原理载荷作用点处对分析结果的影响，从塔架底向上截取15m高度塔架做为分析计算单元。该截面上的内力如下：轴向压力为风轮及机舱重量(G=650000N)以及塔筒自重共同产生(计算截面以上塔筒重量为Go=569889N)，即：Nd=G+G0=1．22x106N弯矩由风轮及机舱重量的偏心引起，偏心距P：1．5所，则弯矩大小为：Md=Gxe=9．75x105N?m分析截面面积为：S=27tRt≈o．25m2。轴向力和弯矩所引起的应力为：和分别缩减因子为：临界压缩应力为：相对细长比为：该薄壁筒塔架的临界应力为：本算例具有门框结构，因此按照GL规范，对于边缘加固圆弧形门框，屈曲临界应力需乘上折减因子Cl，如图4．2知，≈34。，查表4．I，取A，：0．9，Bl=0．0019，所以折减因子C。为：所以，本塔架屈曲临界应力为：据此，以机舱与风轮重量为设计变量，可以确定该塔架的临界载如下：得塔架临界载荷为：此时，作用面上的弯矩为：可见，本塔架的屈曲强度是满足的。90风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座图 4-14．4塔架屈曲的有限元数值分析方法4.4.1屈曲分析有限元方法塔架的屈曲分析现一般采用线性屈曲分析方法。结构的线性屈曲分析在ANSYS中又称特征值屈曲分析。其以完善结构为研究对象，并以小位移线性理论假定为基础，即在结构受荷载变形过程中忽略结构形状的变化。根据失稳定义，结构屈曲时荷载增加一个微量，其位移发生较大变化，因此结构的增量有限元平衡方程为：（4.12）式中：[Ko】一单元的弹性刚度矩阵；[K。]一单元的初应力刚度矩阵；19[疋]一单元的初应变刚度矩阵； {}_一节点位移增量向量。&必有非零解，因而（4.13）结构的线性屈曲分析假设屈曲前结构处于初始构形平衡状态，因此上式中 的=0；而在小位移情况下，与应力水平成正比，应力与外荷载也为线 为屈曲时的荷载参数，因结构屈曲时上述方程中{性关系。设为参考荷载尸对应的初应力矩阵，，则屈曲时结构的初应力矩阵可表示为：（4.14）代入(1 3)式，得经典线性稳定理论的控制方程为：（4.15）显然，这是一个广义特征值问题。这也从根本上说明了为什么ANSYS中线性屈曲分析又称特征值屈曲分析，而且其求解的对象特征值就是要求的临界屈曲载荷与 参考载荷P的比值，对应的特征向量即为屈曲模态。对广义特征值问题，ANSYS中有多种求解模块，由于Lanczos方法被认为是目前求解大型特征值问题最有效的方法，本文选择其中的BLOCK LANCZOS方法求解4.4.2 2MW风力机塔架NASYS分析对前述2MW变速恒频风电机组圆柱形塔架进行屈曲临界载荷有限元数值分析。采用solidl86(20节点六面体二次单元)单元和Contal74、Targel70单元对塔架进行模拟，从下向上截取15m塔筒作为计算单元进行计算，塔架底部开门洞，尺寸为：高锄，宽I．2m，上、下各一个半径O．6m的半圆，门洞周围处采用同材质钢门框加强，尺寸为宽60mmx厚30ram。塔筒底部约束所有自由度，顶部截叫施加单位复合参考载荷，包括单位弯矩为IN m，压力为0,56Pa，有限元分析模型如图4-2所示。导入NASYS中的无门洞塔架模型图：20图 4-2网格化：图4-3一致六阶模态阵型图：图4-421图4-5图4-6图4-722图4-8图4-9为了考察有无门洞情况下塔架的屈曲特征值以及门洞门框对屈曲特征值的影响，以及单纯弯矩载荷与压弯复合载荷的对比，考察弯矩对屈曲的影响，下面分四种情况进行计算：第一种情况，塔架底部没有门洞，在复合载荷的作用下(弯矩和压力)。第一阶屈曲值为弯矩1．[2x10'／vm压力6．27x107Pa，对应截面为S《025m2的瞄积．轴向载荷约为I 57x107N。第二种情况，当塔架底部，F有门洞时，但没有门框加强，在复合载荷作用下(弯矩和压力)第一阶屈曲荷载值是弯矩为314J07N ．压力为l 76xl矿加，对应截面Sz0．25mz的面积，轴向载荷约为4 39。106N，106N，可见屈曲值比前一种没有开门洞的情况大为降图4．3塔架有限元分析模型低，说明圆柱壳为高度缺陷敏感型结构。第三种情况，当塔架底部开有门洞时， mo们I没有门框加强。载荷只有弯矩作用下的屈曲荷载值是3 59x107N m，约是第二种情况的1．14倍，其值较为接近，说明截面弯矩对圆柱薄壁结构的屈曲影响较为显著。第四种情况．塔架底部开有门洞，并沿门洞四周采用60mmx30mm的门框加强，屈曲荷载值是弯矩5．75x107N．肌，压力3．22×107pa，是没有门框加强(第二种情况)屈曲值的1．83倍，说明采用门框方式起2390风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座到了很好的加强作用，也再次说明圆柱壳塔架为高度缺陷敏感型结构。、有门洞NASYS分析： 网格化：图4-10一致六阶阵型图：图4-11图4-12图4-13图4-14图4-15图4-164.5 工程算法和有限元方法的结果通过对2MW变速恒颏风电机组底部开门洞圆柱形塔架进行届曲临界载荷 分析结果可知t4.6有限元计算结果与实际破坏形式的对照风力发电机在使用过程中由于风力过大产生的主要破坏形式，就是发生在塔架薄弱部位(如门洞或两节塔简的连接处)的局部屈曲破坏。如，在德国发生的风力机的塔架的破坏案例，其破形式与限元模拟的破坏形式相似，见图4．8风力机塔架的局部屈曲破坏实倒与有限元模拟结果。图4-174.7塔架在复合静外力作用下的有限元方法分析4.7.1塔架有限元模型的建立利用三维CAD软件的建模方法建立风力机塔架的几何模型，然后导入到WORKBENCH软件中进行前处理和有限元网格的划分【：引。本文中采用三种方式进行塔架建模，第一种方式将塔架建成整体式，即塔架为一个整体不分段；第二种方式将塔架按15m一段分段建模，顶部一段为5m；第三种方式在分段建模的基础上在塔架底部开门洞，门洞尺寸为：高3聊，宽1．2m，上、下各一个半径0．6m的半圆。材料采用结构钢，参数如表4．3。图4-184.7.2整体不分段建模方式下塔架模态的计算用有限元中的分块法(Block Lanczos)进行模忐分析求解固有频率和振型。分块法适用于大型对称征值求解问题，要求输入的数据较少，去处比较快，普通模态动力分析与载荷无关，可以不选任何载荷集。所以在模态分析中我们的模态提取方法用Block Lanczos。由于只关心低阶模态，提取的模态阶数为10。施加约束时将塔架底部的位移设为零Ⅲl。第一种建模方式(整体不分段)，总节点数为1840，总单元数为230，在WORKBENCH中采用的solidi86模拟，即20节点二次六面体单元。见图4 19。图4-19-图4-2090风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座图4-214.8本章小结本章分别通过工程算法和有限元算法对风力机塔架结构进行了力学分析，并将=都进行了比较。通过比较结果我们可以知道，工程算法也只能大概的反应结构的受力情况和粗略的评判结构的可靠程度，虽然可班对一些复杂结构形式的塔架进行力学分析计算．但是这种方法仍旧具有一定的局限性，其结果不能达到足够的精度．所以还需要进一步用有限元方法对结构受力进行模拟计算以得到足够精确的受力值。第5章 风力发电机底座5.1风力发电机机舱底座计算介绍机舱底座是风力发电机组中的主要承载部件c，h 32]，它上面支撑着风轮、传动系统、发电机、液压站和电控柜等重要的零部件；中间支撑着偏航减速器，使其输出小齿轮与固定在塔架顶部的偏航外齿轮正确啮合；下面与偏航轴承的动圈联接，在对风时带动机舱及风轮偏航．机舱底盘不但承受着来自这些零部件的各种载荷，而且作用在风轮上的轴向推力也通过机舱底盘传递到塔架上。而且，机舱底座结构形状复杂，尺寸较大，载荷工况多变，是复杂的高次超静定薄板、梁、块体组合结构。底座设计是否合理，其制造质量的优劣都直接影响整机的性能及经济性[331。设计底架时必须考虑使其具有足够的静强度和刚度。显然使用传统的计算方法不能得出受力和变形的全面而准确的结果，不能实现优化设计。现在，有限元分析不仅成为现代强度设计方法的核心，也成为CAD／CAM／CAE等现代设计方法不可分割的一部分。任何结构的有限元计算均包括前处理、分析计算和后处理三个部分。其中结构分析计算都由计算机自动完成，只要输入适当指令即可，无须人工干预。值得注意的是，前、后处理的方法和功能却因软件的选择及人员力学处理的能力和行为而异(特别是前处理)。现代CAE技术可以对相当大规模的问题进行分析，这种分析可以是复杂的接触问题(在CAD中称为“装配”)。装配体的分析模拟技术使得人们得以精确的预测一个多零部件的结构的性能134]。本文采用ANSYS有限元结构分析软件对一个750KW风力发电机组的机舱底座进行静强度和动特性分析，目的是校核其强度并根据结果进行结构调整，使之满足设计要求。分析中考虑到底座本身结构的复杂性和与主轴、发电机以及塔架偏航轴承连接“装配”和约束的多样性，网格划分采用先分块分别进行自动划分、后作人工协调的方法进行。而主轴与发电机与底座的接触问题采用先进的MPC(Multi．pointconstraints，多点约束)方法进行处理，通过施加一段塔筒假体模拟塔架对底座的约束，可以使得分析过程更方便，分析结果更准确[35'361。5.2机舱底座载荷分析与处理风带动叶片和轮毂旋转，将力和力矩传到主轴、齿轮箱、发电机上。底座上还承受舱内各零部件的重量。采用风力机气动分析软件Blade for windows可分析各种风况条件下的作用在轮毂中心的力和力矩，并利用静力等效原则等效到主轴端面【，7】。零件重量主要考虑发电机和齿轮箱的重量(可以根据实际情况加上其零部件的重量)，分别通过MPC约束施加到底座的六个连接面上(齿轮箱2个连接面，发电机4个连接面)。表5―1列出了超I类风区极端风速6．1e风况下，等效到主轴端面的六个载荷，轮毂坐标系如图5．1所示。发电机和齿轮箱的重量分别为44000N和57000N。图5-1由于主轴承座与主轴接触面积以及载荷在面上的分布事先无法确定，同样的情况也出现在发电机与齿轮箱与底座的接触面上，所以以往将作用在主轴上的空气动力学载荷等通过静力等效加到主轴承座上的处理方法不够理想，本文采用49MPC多点约束方法，将主轴、发电机、齿轮箱和底座连接处理，方便且计算结果更准确。MPC即Multipoint Constraint，多点约束方程，其原理与约束方程的技术几乎一致。目的是将不连续、自由度不协调的单元网格连接起来，不需要连接边界的节点完全一一对应。可实现任意梁、板壳和实体单元之间的模型装配，非常方便和自由。用来描述两个或多个自由度之间的线性关系，如式(5．1)所式，Σ吩“，=o (5．1)j式中：Ui一节点或标量点的任何自由度；尼一用户定义的比例系数。MPC算法适用于面对面、点对面的接触单元。使用该方法时，ANSYS会根据接触运动建立MPC方程。内部MPC方法能够克服传统接触法则和其他多点约束方法的缺点。例如：接触面节点的自由度被消去；可以减小系统方程求解的波前大小；不需要输入接触刚度；对于小变形问题，它代表真实的线性接触行为；求解系统方程时不需要平衡迭代；对于大变形问题，MPC方程在每个平衡迭代中不断进行更新，克服了传统约束方程只适用于小应变的限制条件。若与粘结接触结合使用，MPC方法可简化下列形式的接触装配和运动约束：固．固装配、壳．壳装配、壳一固装配、梁一固装配、刚性面约束以及任意面的载荷分布。MPC能够连接的模型一般有以下几种，1)solid模型与solid模型的连接；2)shell模型与shell模型的连接；3)solid模型与shell模型连接；4)solid模型与beam模型连接；5)shell模型与beam模型连接。在ANSYS中，实现上述MPC技术有三种途径，I．通过MPCI84单元定义模型的刚性或者二力杆连接关系。定义MPCI84单元模型与定义杆的操作完全一致，而MPC单元的作用可以是刚性杆(三个自由度的连接关系)或者刚性梁(六个自由度的连接关系)。II．利用约束方程菜单路径，Main Menu&preprocessor&Coupling／Ceqn&shell／solid Interface创建壳与实体模型之间的装配关系。III．利用ANSYS接触向导功能定义模型之间的装配关系。选择菜单路径MainMenu&preprocessor&Modeling&Creat&Contact Pair，弹出一序列的接触向导对话框，按照提示进行操作，在创建接触对前，单击Optional setting按钮弹出Contactproperties对话框，将Basic选项卡中的Contact algorithm即接触算法设置为MPCalgorithm。或者，在定义完接触对后，再将接触算法修改为MPC algorithm，就相当于定义MPC多点约束关系进行多点约束算法。本文中主轴用三维梁单元，发电机和齿轮箱采用质量单元模拟，与机舱底座的约束根据实际的约束性质施加，如主轴承处释放了轴向位移和转动自由度，如“图5．2在约束和载荷作用下的机舱底座有限元模型”和“图5．3机舱底座有限元模型所受约束和载荷”所示。图5-2图5-35.3机舱底座的强度分析5.3.1有限元模型与材料特性ANSYS有限元分析软件本身就具有强大的几何实体建模功能，它也可与其他的CAD软件进行接口，由于机舱底座结构比较复杂，本文采用AUTO CAD 2000软件对机舱底盘进行实体建模，然后导入ANSYS软件进行网格划分和强度分析。鉴于底架结构90风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座复杂，截面分段变化，各板件纵横交接，一般的材料力学方法无法进行计算，所以采用有限元方法是比较有效和可靠的Ds]。在建立有限元力学模型时，采用按板块部件先分别进行网格自动划分、后作人工组合协调的方法进行。此时应尽量保持原结构的几何形状，选取良好的单元形态，尽量避免狭长及尖锐单元出现，否则将会产生较大的误差。在截面尺寸突变及板块交界处应有单元分划线通过，集中载荷作用处应布置节点。对估计应力梯度较大区域或关心的部位作较细的网格划分。本文中的底座，我们主要采用Hex．dominant网格算法，先在底座的表面生成表面网格，然后经过向内拖拉形成块／锥，再在内部添加锥形四面体单元进行协调，也就是以六面体单元为主，用六面体单元和四面体元混合的方式形成网格，会达到很好的效果。底座下部的塔筒和底座上部垫块的形状比较规则，可采用sweep方式形成网格，最后调整网格的尺寸，使受力部位网格适当加密，以提高计算精度，而非受力部位的网格适当加粗，以提高运算速度。本例中所采用的有限元单元主要有Solidl 87(10结点二次四面体单元)、Solidl 86(20结点二次六面体单元)、三维面面接触单元有Contal74和Targel70。共划分单元数58626，其中三维体单元55637，接触单元2989，节点数0机型底座选用材料Q345B，弹性模量E=2．1x10¨Pa，密度P=7800堙／m3，泊松比y：0．28，屈服强度仃。=325MPa。为了更准确地处理约束，在偏航轴承处施加一截与真实塔筒材料和结构相同的塔筒假体，假体的底面全约束139，，划分的底座有限元网格、施加的塔筒假体与约束和载荷情况如图5．2、图5．3所示。5-434图5-55.3.2风力发电机机舱底座有限元分析计算机舱底座的强度和刚度分析应使用风力机气动载荷分析软件计算各种极端工况条件下的载荷，分别将各极端载荷施加到机舱底座有限元模型上，计算其相应的等效应力和变形并与材料的屈服强度进行比较，考察强度是否满足要求。在我们的研究工作中共计算了1 6种极限载荷工况，文中只列出了在6．1e极端风况条件下的分析情况。将轮毂传递的空气动力载荷施加到主轴前端面，主轴后端面全约束；发电机和减速箱重量分别施加到两个质量单元上；施加约束，进行计算。图5．4为机舱底座等效应力分布图，从图中可以看出除个别点存在应力集中之外，其他地方应力水平不高，最高应力为145．04MPa，出现在主轴承座支撑点处，而Q345B材料的屈服应力为05=325MPa，安全系数达到2．24。图5．5为底座整体的变形图，变形主要出现在机舱底盘的后段部分，因为后段部分是悬空的，类似于一个悬臂梁．最大变形为1．101mm，主要为向下垂直方向变形。5.4机舱底座动特性分析与强度分析一样将机舱底座进行有限元离散化处理后，应用瞬时最小势能原理可导出结构运动微分方程【?01[M]{石)+[C]{厅}+[k]{口}=tP} (5．2)式中【M】、[C】和Ⅸ】分别为叶片结构的整体质量、阻尼和刚度矩阵。{／／)、{a)、{口)及{F}分别表示有限元节点加速度、速度、位移及所作用的外力矢量。若右端项伊}={O}，在非零的35初始条件下，方程(2)有非零解，这时底座处于自由振动状态，由于没有外载作用，方程的解反映了底座结构本身固有的动力特性即频率与振型。工程上，一般在讨论叶片的这种固有动力特性时，不计阻尼作用，于是方程(2)可变为[K]{奶=ⅢM]{矽} (5．3)这就是底座结构动力问题的广义特征值方程。式中求解的未知量力=功2和{矽)分别为特征值和特征矢量，分别表达了底座的各阶固有频率和振动形态。底座的模态分析就是确定其固有频率和振型，也是更进一步动力学分析(如动力响应分析)的起点。对广义特征值问题(3)，ANSYS中有多种求解模块，由于Lanczos方法被认为是目前求解大型特征值问题最有效的方法，本文选择其中的BLOCK LANCZOS方法求解。模态分析主要分为以下步骤：1)有限元模型建立；2)施加约束及求解；3)模态扩展；4)结果检查。750机舱底座模态分析结果分别如表5．2和图5．6所示。第一阶固有频率为31．11 Hz，远大于风轮转速22rpm，从这点看动特性是安全的。从图5．6中可以看到，机舱前3阶振动显示出尾部振动较大，因为尾部刚度小，悬伸长，易引起振动，所以应在尾部多加筋以加强其动刚度。36图5-65.5风力发电机机舱底座计算总结应用有限元分析软件，在合理简化模型、正确加载与约束下，可以快速和深入地对复杂结构进行分析，提高了计算精度和效率，计算结果形象直观．根据分析结果可以进行结构调整，并且对结构优化设计起到极其重要的作用。本文采用先进的ANSYS有限元分析软件，对75 0KW风力机的机舱底座进行了强度和动特性分析。通过分析计算，可以得出如下结论：1)机舱底座在风力机中是一个重要的承载部件，通过对其进行的强度分析，得出了其应力分别规律和应力分别云图，得到了最大应力值，该值小于Q3 45 B材料的屈服应力，表明机舱底座的强度设计是可靠的。2)通过对机舱进行的动特性分析，得出了其前1 0阶固有频率和振动模态，第一阶37固有频率为3 1．1 1 Hz，远大于风轮转速22rpm。从前几阶振型和机舱在静力分析中的变形情况看，较大的振动和位移尾部出现，应加强尾部的刚度，并建议将液压站等附属设备尽可能前移，以减小其变形。3)本文应用ANSYS有限元软件中的多点约束MPC技术和施加假体等技术，可以方便准确地实施将作用在主轴上的载荷施加到机舱底座上，并对整个底座实施约束，提高了分析的可操作性和结果的准确性。5.6本章小结本章应用了有限元方法对机舱底座进行了力学分析，并在分析过程中采用了MPC方法。在对机舱底座进行力学计算时常常遇到的问题是由于实际结构的不对称性和接触部位的复杂性，无法通过模拟直接接触的方法来计算力的传递，本章通过MPC方法的使用可以解决分析中难以模拟的复杂力的传递问题，简化了计算过程，节省了程序的计算时间，并得出相对精确的计算结果。本文的主要工作由于国内风力机设计行业刚刚起步，目前还没有成熟的规范，进行风力机设计主要依靠国外的资料，但国外的设计资料和规范在很多情况下不能适合我国的实际情况，而本文的研究能给我国自主设计风力机积累一些方法和数据，为建立我国自己的风力机设计规范作一些准备。另外一方面，由于底部开门洞的塔架形式在目前风力机塔架结构形式中是比较常见的，我国也还没有积累相关经验数据和分析计算的数据，目前这种类型的设计制造主要依靠国外的规范和技术，例如，德国的和丹麦的，但是这些规范和技术同样常常不符合门洞结构的实际情况，还需要根据具体情况，运用有限元数值分析方法对相应规范进行修正和补充。本文应用有限元数值分析理论和结构分析软件AYSYS对风力发电机组主要零部件钢结构塔筒和机舱底座的强度、刚度、稳定性以及动力学特性进行了分析，计算结果并与GL规范进行了对比与分析。主要工作与结果如下：l、以底部开门洞的大型风力机塔架为研究对象，研究了塔架在风轮、机舱等零部件重力荷载以及塔架自身重力作用下引起的塔架屈曲问题的工程算法和有限元数值分析方法。2、对一个1．5MW风力机塔架在这类偏心荷载作用下的塔架屈曲值和屈曲模态进行了计算。计算结果表明：门洞的存在对薄壁简体塔架的屈曲临界载荷有较大的影响；相关标准提出的工程算法存在一定的局限性，需要结合有限元数值分析方法进行分析。3、应用ANSYS有限元分析软件对风力发电机组机舱底座强度和动力特性进行分析。研究了风力机机舱底座结构有限元分析中的关键技术处理问题：包括网格划分、 3890风力发电机减震器毕业设计_风力发电机底座外载荷处理、边界约束处理及计算技巧。4、针对一个750KW风力机机舱底座的静强度和固有频率与振型，根据计算结果进行了强度校核。为风力发电机组机舱底座的强度、刚度校核与优化设计提供了行之有效的分析方法和手段。本文的研究工作对于风力发电机组关键零部件的强度、刚度和稳定性校核提供了实用和有效的分析手段，为风力机结构的优化设计提供了理论依据。参考文献[1]孙浩然.风力发电技术综述.江苏电机工程29卷第四期.2010.7[2]李锡鹏.发展风电产业大有可为.中共云南省大理白族自治州委党校.[3]沈宏，耿超，刘楠，李伟丽，邱军亮. 国内外风电产业现状及其发展前景.河南科技学院学报(自然科学版).2010.3[4]罗如意，林晔，钱野. 世界风电产业发展综述. 可再生能源.2010.4[5]熊锦民.我国风力发电产业发展现状及展望.科技创新导报.2008[6]中国电力.2008.8[7]陈荣.直驱式风力发电技术及发展.盐城工学院学报（自然科学版）.2010.06[8]吴学鹏，辛鹏，辛雷. 风光互补发电控制系统的研究. 吉林. 东北电力大学微通电力系统研究室[9]冯丽平.风光互补发电系统设计与实现. 上海大学. 硕士学位论文.2007.10[10]甘军明 ， 许伟民 ，赵红兵 ， 何湘鄂. 一些风力发电装置的结构和主要技术参数. 发电设备(2010 No．3)[11]张义.直驱式永磁同步风力发电系统的控制研究. 天津大学硕士学位论文.2007.5[12]梁惠英. 风光发电系统在世博游轮上的应用. 上海船舶运输科学研究所学报. 2010.6[13]童加斌. 3G基站3KW风光发电互补型独立供电系统的设计. 襄樊职业技术学院学报.2010.1[14]独立运行的风光互补发电系统的研究与设计.电源技术. 教育部光伏系统工程研究中心[15]谈蓓月1 , 卫少克2。风光互补发电系统的优化设计.上海电力学院学报.2009.6[16]薛玉石， 韩力， 李辉. 直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景.电机与控制应用.2008[17]陈渭清.吕启东.金晶.陈渭良.鲁向东.新型聚能风力发电装置.上海节能.[18]曾凡超.风力发电中央控制系统的设计。合肥工业大学硕士学位论文.2010[19]百度百科[20]常杰.850KW同步风力发电机控制系统设计与实现.陕西科技大学.2010[21]李俊风.风力12在中国.北京.机械工业出版社.2005[22]Chen Z ,Spooner E．Grid interface options for variable-speed permanent-magnetgenerator, IEEE Proceedings Electronics Power Applications,):273-283.[23]邓禹，邹旭东，康勇．变速恒频双馈风力发电系统最优风能捕获控制．通信电源技术，）:21-24．[24]叶斌.电力电子应用技术及装置，北京：中国铁道出版社，1999．[25]刘宗清.基于单片机的双馈风力发电控制系统的设计与研究.中国石油大学硕士学位论文.[26]Anandavel P,Rajambal K,Chellamuthu C.Power optimization in a grid-connected wind energy conversion system.Power Electronics and DrivesSystems,):.[27]Prats M A M,Carrasco J M.Improving transition between power optimizationand power limitation of variable speed,variable pitch wind turbines using fuzzycontrol techniques.26th Annual Conference of the IEEE Industrial ElectronicsSociety,):.[28]Wind energy. Phys Technol.. Vol 14. 1983 Printed in Nonhern Ireland[29]wind power. Courtesy National Westminster Bank’s Developments in Technology. THE Environmentalist.1987[30] Qi Zhi yuan, Wang Sheng tie. MAXIMUM POWER CONTROL UNDER THE FRAMEWORK OF COORDINATION CONTROL FOR OFF-GRID WIND POWER GENERATION SYSTEMs.2005致 谢大学四年不仅让我积累了知识，增强了实际操作能力，最让我留念的是来自老师、朋友、同学和家人的亲切关怀和无私帮助。毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校――西安工程大学，是她为我提供了学习知识的土壤，使我在这里茁壮成长；其次我要感谢机电学院的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的王益轩老师，每有问题，老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊；最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。西 安 工 程 大 学本科毕业设计（论文）诚信声明禀承学校优良传统，保持我校学生一贯诚信风尚，本人郑重声明：所呈交毕业设计（论文）是在指导老师的指导下独立完成的，无抄袭和剽窃现象。特此声明学 生：指导教师：年 月 日欢迎您转载分享：
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