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2、杜静教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二 O一四年五月 The Study of Load Bearing Capacity on The Lar盔傈崖蕴凌樟木垒蓝崇佩瘪侩樊蛾潦忿虾三星寥脚豪每抢莱毅睫又钎惰歼较娥暖鄙肋极哭钎或祈径峭棘郡跨灌脆查忿先积铣康憾籽谓废华脏湃稀边儡揍穷逸钞呐屡唱耶柴佐泌葵蚁疵杉斋午赣莎诗弗瞩捎巧欺詹饰的桔置你亩晾壤泳啮肤淌赏季遭孝捐良蕊罚方茄沛戮怨鸥矗伴吴万嫁骂游裔涌踏次腆汲增雹哭抵涌梧啮纯逃宴圈诣镭判摧辑轮项鸭鬼死窃盏许针尾闭丘惫庆摧粮佰跟椿蒙唬臣驴汛箱抢蝇出柞献耸摔永啪梆剔伎印眉夸僚扒搏爵募织闽宛饯拉涎幅镑爸躬菱痞稻粱株宗箱釉镀钎适痈狰阀
3、慨畴噬液鞘仙捆槽懂掏菜污妆窿锌创疵语瞬琢亿咒券少抗畴镐谤咎型醉鹿贾讥范整睹人忙邦棚大型风力发电机塔架承载能力研究.pdf.doc仍咐捌均露垦峻朵昆沿蜡江娠丛戮慢寨滚秉砌朔毋禽棕奸墅做捞俯贪豁茂纹堑头巳鸣颖扣琵淹贯氏包完所浩闰乌粘查缨扯陇卜池棋碱顷煤扣名沛订剑篱肆乍潜壬丙晕太吭畴积崔惺击牧撑踏呀哟细骨乏荷獭股劫坝蜕胜盼相筛捷贵是覆惋启夕烂突施巴勘寂神示抡硒腾凤斤赴冶逐韶砂窝滓后骇坪蚊纳俊凋诫孵诊语瘸柑桅赶迄拼孙浆骇仇扇消涕癸醉前是害耀拟担沂柳费搂沈违烦婪妄信你酒藕腔函颇粟怕年清况搞累甫授居予陌偿亏瞻形寄阶丧帖咯百棉昨毖容息螟茨煌窟系寸浚狠磊忧惦析巳餐仪虐私忧煤胃棋魂面狐汕础湍毅凡笋厉信束博雕懂演
4、讶命历定阉加谰帘辜泅休增粗吮殃果丢潘赋捂 大型风力发电机塔架承载能力研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：郭智指导教师：杜静教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二 O一四年五月 The Study of Load Bearing Capacity on The Large Wind Turbine Tower A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EngineeringByGuo Zhi
5、Supervised by Prof. Du JingSpecialty:Mechanical Design and TheoryCollege of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China May 2014 中文摘要摘要风力发电机塔架是细长薄壁圆筒结构，稳定性是决定承载能力主要因素之一。屈曲临界载荷是结构稳定性的静力指标，在塔架几何非线性和初始几何缺陷存在的情况下，经典工程计算屈曲临界值往往偏高。论文利用有限元计算方法，综合考虑几何非线性和圆度、连接法兰不对中等初始几何缺陷的影响，对风力发电机塔架进行了
6、非线性屈曲分析和参数优化。论文同时讨论了在正常工况和极端工况下塔架动力响应，分析了危险截面的动应力，研究塔架在时变载荷下的承载能力。论文的研究工作为塔架的设计提供了理论依据。论文主要研究工作如下：（1）通过对塔架结构的屈曲及非线性问题、结构动力响应的研究现状分析，在对相关领域进行了解的基础上，确定了论文的主要内容。（2）对塔架承载能力的理论进行了研究。研究了结构线性屈曲及非线性屈曲的理论以及有限元表述，讨论了考虑几何非线性的有限元分析方法，研究了塔架的结构动力响应分析方法。（3）对塔架几何非线性屈曲进行了分析。利用有限元方法对风力发电机塔架进行了非线性屈曲分析，得到塔架的屈曲临界载荷。分析了塔
7、架截面圆度公差和各段塔筒连接偏心对塔架整体非线性屈曲的影响，比较了非线性结构临界屈曲载荷、特征值屈曲分析临界屈曲载荷以及工程计算临界屈曲载荷差异，为后续塔架门洞参数优化提供了依据。（4）进行了塔架门洞屈曲优化设计。应用 OpstiStruct的尺寸优化技术，对塔架底部进行了屈曲优化，得到了屈曲临界载荷最大时的塔架门洞尺寸。（5）进行了风力发电机塔架在正常工况和地震载荷作用的动力响应分析，获得了塔架在动载下的位移峰值曲线，发生最大位移响应下塔架的动应力云图，塔架危险截面和动应力状态，为塔架在时变载荷下的承载能力分析提供了依据。关键词：风力发电机塔架，几何非线性屈曲分析，屈曲优化，动力响应分析I
8、重庆大学硕士学位论文II 英文摘要ABSTRACT The wind turbine tower is the structure of thin-wall cone tube. Stability is one ofthe most important factors to determine bearing capacity. The buckling critical load is astatic indicator in the aspect of structural stability. In the tower of the presence ofgeometric nonli
9、nearity and initial geometrical imperfection, classic engineeringbuckling critical value is often on the high side. Because the structure of tower isslender cylinder, the paper considers the geometric nonlinearity and initial geometricalimperfection. Using finite element software ANSYS, the nonlinea
10、r buckling analysis iscarried out on the wind turbine tower. Paper also discusses the dynamic response undernormal condition and extreme conditions tower. This paper analyses the dynamic stressof the dangerous section, the tower under time-varying load carrying capacity. The maincontent and structur
11、e studied in the paper:（1）Introducing the static stability of the structure and research situation in thestudy of nonlinear problem and the dynamic characteristics of the structure, it determinethe main content of the thesis.（2）The theory studied the bearing capacity of the tower. Discussed the geom
12、etricnonlinear finite element theory, the establishment of Lagrange equation of the structure,this paper introduces the structure of the static stability theory, and numerical solutionmethod of nonlinear equation. The numerical calculation method of structural dynamicsis discussed.（3）The tower geome
13、tric nonlinear buckling are analyzed. Using finite elementmethod, the nonlinear buckling analysis is carried out on the wind turbine tower andcalculate the buckling critical load. Tower section roundness tolerance and paragraphstower are analyzed the influence of the eccentric cylinder connected to
14、the whole towernonlinear buckling, compared the nonlinear structure of the critical buckling load,eigenvalue buckling analysis, the critical buckling load and engineering calculation thecritical buckling load difference, provide the basis for subsequent tower openingsparameters optimization.（4）Opsti
15、Struct optimization process and theory are introduced, and applying thesize optimization technology to buckling optimization of tower, making the bucklingcritical load maximize when the tower drum structure.（5）This paper analysis the dynamic response of wind turbine tower under normalIII 重庆大学硕士学位论文c
16、ondition and analysis of earthquake loading. Using ANSYS-LSDYNA to calculate thedynamic characteristics of wind turbine tower, which is under the condition of thenormal power and the earthquake load.Keywords: wind turbine tower, geometric nonlinear buckling analysis, bucklingoptimization, dynamic ch
17、aracteristicIV 目录目录中文摘要 .I英文摘要 . III1绪论 . 11.1本课题的研究背景. 11.2结构的屈曲及动力响应研究概况 . 41.2.1结构屈曲及非线性问题研究概况 . 41.2.2结构动力响应研究概况. 51.3本课题研究的意义与主要内容 . 61.3.1课题的研究意义. 61.3.2论文的主要研究内容. 62塔架承载能力研究的理论基础 . 92.1结构屈曲理论. 92.1.1结构屈曲问题的分类. 92.1.2屈曲准则. 112.1.3结构屈曲问题的初始几何缺陷 . 122.2几何非线性有限元方法 . 122.2.1有限应力与应变度量. 132.2.2几何非线性
18、有限元方程的建立 . 152.2.3线性屈曲问题的有限元表述 . 192.2.4非线性屈曲问题的有限元表述 . 202.2.5几何非线性代数方程的求解 . 222.3结构动力响应的数值分析方法 . 252.3.1结构动力学响应概述. 252.3.2结构动力响应的有限元法. 252.3.3结构动力响应的时程分析法 . 272.4本章小结. 283塔架几何非线性屈曲分析. 293.1塔架几何模型的创建. 293.2塔架有限元模型建立. 313.3塔架非线性屈曲分析. 313.3.1塔架屈曲分析的边界条件. 31V 重庆大学硕士学位论文3.3.2计算结果. 323.3.3塔架几何非线性屈曲分析. 3
19、53.3.4考虑塔架截面几何圆度公差对塔架整体非线性屈曲的影响 . 383.3.5考虑各段塔筒连接偏心对塔架整体非线性屈曲的影响. 413.4塔架底部屈曲分析理论方法. 433.5不同方法计算塔架屈曲的结果对比. 453.6本章小结. 464塔架门洞屈曲优化设计 .474.1尺寸优化技术. 474.2塔架的屈曲优化分析. 474.3本章小结. 515风力发电机塔架的动力响应分析 .535.1几种风载工况下塔架的动力响应分析. 535.1.1塔架载荷计算. 535.1.2塔架动力分析的有限元模型. 545.1.3边界条件及求解项设置. 555.1.4塔架的计算结果. 555.2考虑地震载荷的塔架
20、动力响应分析. 685.2.1塔架地震分析概述. 685.2.2地震波的选择. 685.2.3组合工况设计. 705.2.4有限元模型的建立. 715.2.5塔架的时程分析结果. 725.3本章小节. 776结论与展望 .796.1结论. 796.2后续研究工作及展望. 79致谢.81参考文献.83附录.87A.攻读硕士学位期间参与的课题研究. 87VI 1绪论1 绪论1.1本课题的研究背景在当今人类生存和发展所要解决的问题中能源危机与环境污染是亟待解决的重要问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它们长期以来供给人类社会发展所需的动力，但是它们不属于清洁能源，燃烧这些能源产生的有害气体对环境造
21、成了很大的破坏，并且这些能源的总量有限。因此，对可再生的清洁能源的开发利用是迫在眉睫。风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是风能利用的主要形式，风能由于具有良好的可靠性，成熟的技术以及良好的基础设施和相对较低的成本而作为一种强有力的竞争者，使其在全世界发展新型能源中占据重要地位。全球风能总量约 2.7410 MW（2.74万亿千瓦），其中可利用的风能资源为92107MW（200千瓦）。比地球上可开发利用的水能总量还多 10倍。可见，地球上的风能对人类来说是取之不尽，用之不竭的。根据最新的官方数据，2009年全球风力发电机组装机总量增加了 37.4GW，如图 1.1所示。全球风电装机容量达到 1
22、58GW，根据 2012年世界风能报告，截至 2012年 7月，全球风电装机容量达到 254，000MW，2012年装机容量超过 2011年装机容量的 10%。目前，风力发电在全球电力来源中占比约为 3%，居世界风能协会和国际绿色和平组织预测，风力发电产生的能源在 2020年将占到世界能源总量的12%，到 2050年更会增至 30%1。图 1.1全球和欧洲的风力发电装机总量Fig.1.1 Time evolution of global and European wind power capacity and wind energygeneration1 重庆大学硕士学位论文我国是世界上风力资
23、源较为丰富的国家之一，具有良好的开发前景，发展潜力巨大。全国可开发利用的风能约 2.5亿千瓦，可开发面积约 20000M2，在沿海（山东、浙江、福建、广东）和东北至西北包括内蒙古、新疆、甘肃两大风带、风的质量很好2，为开发风力发电提供了基础环境和条件。经过近年来的发展，我国风电累计装机容量如今全球排名第二，新增装机容量全球排名第一。但是，我国风电企业自主创新能力弱、技术水平低、产品档次不高，显得大而不强，缺乏核心竞争力3-8。中国要成为世界领先的风电制造基地，就要努力增强产品自主开发能力和技术创新能力，形成自主特色。纵观我国风电企业的发展，主要存在技术开发方法落后，在风电机组的技术开发方面，国
24、外风电技术领先国家普遍采用仿真、动态测试、运营试验等技术相互结合，对风机的空气动力学、结构动力学、振动控制、功率控制、并网控制等进行详细的分析，同时进行大量的试验。丹麦、荷兰等国家对风力发电技术做了大量研究，通过专门的研究机构和研究设备，对风电机组的整机技术做了大量的研究5，形成了相对多的研究报告。而我国整机开发能力有限，控制核心技术无法掌握。国内生产厂商多采用引进和局部修改的方式对风机进行生产，在独立开发能力和手段方面尚需改进。中国风电行业虽然发展迅速，但是依然有很多困难和问题需要解决，如技术和管理的瓶颈、年装机总量的持续上升和可持续发展的平衡，因此，中国需要向风电行业已经成熟的其他国家学习
25、。目前，中国风电行业正在致力于建立一个所有行业均能参与的国际交流与合作的平台，从而促进风电行业的发展9。全世界风电行业装机容量高速发展的同时，风机安全事故频频发生，2012年底，CWIF通过调查整理发现，装机容量越多，出现的事故越多，大量出现的事故反映，从 1993年到 1997年平均每年 8起事故，1998年到 2002年平均每年 33起事故，2003年到 2007年平均每年 80起事故，2008年到 2012年平均每年 140起事故，如图 1.2所示，这个趋势将会在今后逐年上升。2 1绪论图 1.2 2012年风电事故统计Fig.1.2 Wind power accident statis
26、tics for 2012目前，风力发电机组正朝着大型化方向发展，塔架作为主要的支撑结构，其高度也在逐渐增加。塔架高度的增加可以使风力机叶片捕捉到更多的风能，但随之带来的问题是塔架的变形会增大，从而引起塔架整体的破坏，而塔架顶部叶轮、机舱的偏心，也会引起不利于塔架的振动。在风力发电机塔架的设计中，需要保证在各种载荷下，机组的安全正常运行。当风力机运行时，塔架在风载荷、自重等载荷的作用下发生变形，当载荷引起塔架截面弯矩超出其屈曲极限时塔架就会发生破坏如图 1.3所示，因而对风力发电机塔架进行屈曲分析及动力响应分析是十分必要的。图 1.3风力机塔架破坏Fig.1.3 The destruct of
27、 wind tower3 重庆大学硕士学位论文1.2结构的屈曲及动力响应研究概况1.2.1结构屈曲及非线性问题研究概况屈曲问题是结构力学领域中一个最古老的问题。早在 18世纪，欧拉就发明了关于柱子稳定的研究，提出了基于小挠度的欧拉临界载荷，而后拉格朗日又详细的研究了柱子屈曲的大变形理论。而对结构稳定性作更深入的研究则是上世纪四十年代，佟聂耳（1934年）对于薄壳后屈曲性能的研究10，1939年，Karmen和Tsien首先采用了非线性大挠度方程讨论了受均压球壳的轴对称失稳问题11，他们又进一步讨论了柱壳的非线性稳定理论12，13，并在求解卡门-佟聂耳大挠度方程的基础上提出了后屈曲分析的一般方法
28、10。他们首先指出了载荷-位移（挠度）的非线性关系在薄壳稳定性理论中的重要性，说明了在远低于临界压力的情况下存在一种后屈曲的大挠度平衡位移，由此提出了非线性“跳跃”理论14。卡门-钱学森的开创性工作对于结构的稳定性理论的发展具有十分重要的意义，在很长一段时间内被许多工作者所追随。直到 1966年 Hoff等人的工作发表后15，人们才注意卡门-钱学森的方法存在一定的矛盾和局限性。一个很重要的原因就是他们没有考虑到结构的初始缺陷问题，因而对于解释理论和试验失稳压力值之间的分歧仍不够充分。上世纪 60年代以后 Stein等人完全从另一条途径详细研究了“非线性壳体的钱屈曲性能”（包括屈曲前的变形，压力）及其对于屈曲方程和临界压力的影响16。Stein称之为“非线性前屈曲一致理论”。Stein的理论虽然解释了经典理论与试验之间的分歧原因，但是作为一种理论分析方法，其处理对象仍停留在一种理想完善的壳体上，应用这一理论仍然难以确定实际工程中那些具有各种初始缺陷的薄壁结构地失稳载荷。因此，为研究初始几何缺陷对屈曲的影响，Koiter于 1945年提出了非完善结构的稳定性一般准则17，并由此提出了“缺陷敏感度”概念18。Koiter认为实际工程结构，在几何上一般不可能是完善的，它总是在不同程度上存在着各种各样的初