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2MW风力发电机组塔架结构分析研究

作　者: 李军
导　师: 杨洁明
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 风力发电机塔架螺栓法兰连接静力学分析模态分析疲劳寿命分析
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着风力发电在我国的大力发展,风力发电机组的设计和开发取得了非常丰硕的成果。目前我国已基本上掌握了兆瓦级以下的风力发电技术,兆瓦级以上等大型风力发电机组还处于研发阶段。随着风力机组的大型化,其关键零部件的设计要求越来越高。塔架是风力发电机组的重要支撑部件,其结构的静动态特性、疲劳损伤以及其螺栓法兰连接强度对风力发电机组的工作寿命影响很大。为了保证风力发电机组安全、平稳和可靠的运行,设计出结构合理和性能稳定的塔架意义重大。论文借鉴国内外最新研究成果,综合应用了结构静力学、动力学、强度理论、非线性接触理论以及损伤线性累计理论等相关理论知识,以《风力发电机组规范》为设计分析依据,对2MW风力发电机塔架进行了静动态有限元分析和疲劳寿命分析,论文研究的成果为大型风力发电机的设计分析提供了参考,具有一定的工程应用价值。论文主要做了以下方面的工作：(1)采用有限元分析法,建立了塔架的有限元分析模型,对塔架在六种不同载荷工况下进行了静强度分析,得到了塔架的最大应力强度和位移,并对应力进行了强度校核。(2)通过理论计算确定了四段螺栓法兰连接的危险截面,对危险截面处的螺栓法兰连接进行接触有限元分析,得到了螺栓和法兰盘的最大应力值,通过与理论计算的螺栓最大应力值进行对比分析,结果非常接近。(3)为了避免塔架的固有频率和叶轮的旋转频率发生耦合振动,对塔架进行有限元模态分析得到其低阶固有频率和振型,并将其低阶固有频率与叶轮旋转频率进行比较分析。(4)采用疲劳分析软件msc.fatigue对塔架进行了疲劳损伤校核和寿命计算,验证其寿命能否达到预期设计寿命。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-22
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 世界风电发展概况  11-13
  1.3 我国风电发展概况  13-15
  1.4 国内外研究动态  15-20
    1.4.1 国外研究动态  16
    1.4.2 国内研究动态  16-20
  1.5 本文主要研究内容  20-22
第二章 2MW风力发电机塔架结构整体静力学分析  22-38
  2.1 塔架结构的组成  22-23
  2.2 塔架结构的有限元静力学分析  23-35
    2.2.1 创建几何模型  24-26
    2.2.2 创建有限元模型  26-29
    2.2.3 边界条件和载荷工况的确定  29-31
    2.2.4 求解与分析  31-35
  2.3 塔架静强度的校核  35-36
  2.5 本章小结  36-38
第三章塔架螺栓连接应力分析  38-50
  3.1 螺栓法兰连接分析概述  38-39
  3.2 塔架截面力学计算  39-42
  3.3 Ⅲ面螺栓法兰连接接触有限元分析  42-48
    3.3.1 创建螺栓法兰连接有限元模型  43-44
    3.3.2 边界条件的确定  44-46
    3.3.3 载荷工况与求解计算  46-48
  3.4 螺栓强度理论计算  48-50
第四章风力发电机塔架模态分析  50-60
  4.1 风力机塔架模态分析的理论基础  50-52
    4.1.1 模态分析理论  50
    4.1.2 塔架系统模态参数计算  50-52
  4.2 塔架系统有限元模态分析  52-58
    4.2.1 模态分析有限元模型  52-55
    4.2.2 模态的提取与扩展  55-56
    4.2.3 塔架系统模态求解  56-58
  4.3 塔架系统稳定性分析  58-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章风力发电机塔架疲劳寿命分析  60-76
  5.1 疲劳的基本概念  60-62
    5.1.1 疲劳的定义  60
    5.1.2 疲劳的分类  60-61
    5.1.3 疲劳寿命的分析方法  61-62
  5.2 名义应力法  62-64
    5.2.1 名义应力法的假定  63
    5.2.2 名义应立法估算疲劳寿命步骤  63-64
  5.3 材料S-N曲线  64-67
    5.3.1 循环载荷谱参量定义  64-65
    5.3.2 材料S-N曲线定义及修正  65-67
  5.4 疲劳损伤线性累计理论  67
  5.5 风力机塔架载荷工况确定  67-71
    5.5.1 风速累积分布理论  68-69
    5.5.2 时间历程载荷谱  69-71
  5.6 疲劳损伤及寿命求解  71-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 本文总结  76-77
  6.2 工作展望  77-78
参考文献  78-82
致谢  82-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84

2MW风力发电机组塔架结构分析研究

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