基于数值模拟的风力机塔架结构优化设计

基于数值模拟的风力机塔架结构优化设计

仿真设计技术的应用模拟设计技术是目前国际上流行的先进设计技术。它在广泛吸收了现代数学、力学等学科的理论基础上，发展成为一门领先的学科。通过这项技术,可对许多工程中的实际问题进行数值仿真,从而加快了设计的速度,是现代工程学形成和发展的重要推动力之一常规的结构设计路线通常为:类比经验设计制造样机性能测试样机尺寸修改再制造样机,直至满意。这其中结构件的设计由于采用的是类比、经验设计,有时即使做一些强度校核,也只是用很粗糙的方法来进行,在样机制造出来之前,无法知道其设计的可靠性,因此,必须要通过制作样机,进行检测,才能确知设计的合理性。如果设计中某个参数不合理,只有等到下次制作时,才能进行修改。因此,常规的设计方法使研制周期增长,设计中的盲目性很大。而仿真设计技术是建立在国际通用的大型软件平台之上,它成功地将计算机辅助设计技术、有限元技术和数据的前后处理技术有机地结合在一起,在计算机里将要设计的零件三维地设计出来,通过加载进行计算后,很快地就可知道所设计零件的强度如何,结构是否合理,直至其动态性能。如果某处设计不合理,可在计算机里迅速地进行修改,直至得到满意地结果。由于仿真设计中不需要制造实物样机,样机的性能检测则用先进的数值模拟技术虚拟地由计算机来完成,这大大加快了设计的速度和可靠性。600KW风力机的研制是国家“九五”重点科技攻关项目,我们在塔架的结构设计中,利用仿真设计技术对其进行了静、动态设计,并用正交设计的方法对其结构参数进行了优化,为风力机的仿真设计进行了一次有益的探索。下面将以600KW风力机的塔架为研究对象来具体分析。1基于通用有限元分析软件的设计方法通过前述可知,要想进行仿真设计,选择合适的软件来进行建模和分析是一个很重要的问题。经过充分的调研和比较,我们决定采用美国ANSYS公司编制的ANSYS有限元分析软件来进行600KW风力机塔架的仿真设计。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛应用于机械制造、航空航天、汽车交通、铁道、石油化工、能源等领域典型的仿真设计方法采用如下步骤:(1)前处理:创建设计对象的三维实体模型及有限元模型。它包括创建三维实体模型、划分网络、模型修正等几项内容。设计软件提供给用户创建实体模型的界面,建好三维模型后,设计者选择好合适的有限元单元类型,软件自动划分网格创建出有限元模型。(2)加载及求解:根据研究对象的受力和约束情况,对所建模型施加载荷,可加力载荷、面载荷、常力、变力等,并施加符合实际的约束条件,然后完成求解运算。求解过程结束后,可打印结果。(3)结果后处理:通过后处理器POST1,可将结果列表、绘变形图、作变形动画、支反力列表、画应力等值线和作应力等值动画等。根据计算结果,可对设计模型作出评价,进而进行修改,直至满意为止。2塔架静力分析2.1风力机浆叶的最大轴向力—载荷分析600KW风力机在各种工况条件下受到的载荷是多种多样的,其方向与大小也不同,经过分析,我们认为塔架承受的载荷主要是塔架上各部件的重量、塔架的自重及作用在风力机浆叶上的轴向力。根据有关资料介绍CV——风速(m/s);S——风车扫风面积(m因600KW风力机工作时的最大允许风速为25m/s,由此得出工作时风轮承受的最大轴向力F风力机停机时作用在其上的轴向力公式为Cρ——空气密度;V——风速;A——风机迎风面积。因停机时最大抗风速度为60m/s,由此得,此时作用在风机上的轴向力为:通过上面两式的比较,我们可知:600KW风力机工作在最大允许风速时,其承受的轴向力最大,下面我们将以F2.2静力结构分析根据上述我们计算出的风力机承受的最大轴向力及各部件的重量,为了校核塔的强度,我们利用ANSYS软件提供的结构静力分析来分析此问题。静力结构分析的主要步骤如前所述。经过分析计算,当以塔架为研究对象时,塔架的上端受以下力的作用:其中:FFMM图3为塔架的应力分布图,从图中可知,塔的右下角靠近根部处的应力最大,其最大应力为σ3结构模态分析动力学问题的有限元法也同结构静力学问题一样,要把物体离散为有限个数的单元体。不过此时在考虑单元特性时,物体所受到的载荷还要考虑单元的惯性力-ρddv和阻尼力-υddv等因素,其中,ρ是结构材料的密度;υ是线性阻尼系数。整个结构的有限元动力学方程为M——总体质量矩阵;C——总体阻尼矩阵;K——总体刚度矩阵;q——节点位移;f——结构所受外力。当f=0时,利用数值计算的方法解上述方程即可对系统进行模态分析。模态分析主要用于确定系统的固有频率和振型,它也是其它更详细的动力学分析的起点。模态分析主要由以下步骤组成对塔进行模态分析的建模方法与塔的静力分析的建模方法是一致的,但在分析中必须指定材料的弹性模量、密度及泊松比。建好塔架的模型后,要对塔架的底座施加约束,然后便可进入软件求解器进行求解。表1列出了计算出的塔架前五阶的固有频率。4塔架结构的应力分布计算经过对整机的充分分析,我们认为塔高、叶片尺寸、机舱等部件的尺寸由于受结构的限制,变动的可能性较小,我们着重对塔的结构进行了优化设计,而塔又是整机中最重要的部件,对塔的结构选择了四个可变的结构参数,分别是:Dt为减少计算次数,我们对计算进行了正交试验设计,确定该试验为4因素3水平。4因素的3水平值如表2所示。通过计算可得出每一试验号的计算结果如表3(每一试验号取前五阶固频,分别用f我们以该结构参数能获得最高固频为优化目标,通过计算我们可知当试验号为7时,其固频最高,其对应的塔的结构参数为:另一能获得较高固频的试验号为5,其对应的结构参数为:通过上面两组数据我们可知:增大塔底座直径并且增大t为了进一步检验上述试验7或5所对应的塔架结构尺寸结构强度,我们分别按照其结构尺寸建立了有限元模型来计算其应力分布,结果如表4。从上表可知,按试验7和5所对应的塔架结构尺寸计算出的最大应力值,均比现有尺寸塔架的最大应力要小,因此,经正交试验优化方法所得到的塔架结构尺寸是合理的,其中实验5所对应的塔架结构尺寸由于具有体积紧凑,重量轻的特点,值得重点采用。5风机塔架结构参数的优化设计本文采用先进的数值模拟仿真技术,对风力机的塔架进行了静、动态性能的分析,通过计算,证明这样方法是切实可行的,为风力机的仿真设计创出了一条新的路子,为我国产品的更新换代及产品结构的优化设计进行了有益的探索。经过对计算结果的分析,我们可得出如下结论:(1)本风力机具有三叶片风轮,由于扫掠面上部和下部的平均风速不同,每转一周塔架受激振动3次。风轮的转速n=30rpm=0.5Hz,则作用在塔身上的轴向推力的频率为3n=1.5Hz。而计算出的塔架一阶固频为1.3189Hz,介于0.5Hz和1.5Hz之间,因此所设计的塔为“柔塔”。(2)通过对塔进行静力分析可知,塔的最大应力出现在塔的根部,随着塔的高度增加,应力逐渐减小,因此塔的截面按照变截面来进行设计是正确的。通过对塔的4因素3水平的正交优化设计,以提高塔架动刚度为优化目标,得出了塔架的最佳结构参数,为塔架的设计与制造提供了可靠的理论依据。(3)由于整机承受的轴向推力频率比塔架的第一阶固频要高,因此风机在启动过程中要穿过塔架的共振区,为了减小振幅,特提出如下建议:a、启动速度要快,这样可缩短穿过共振区的时间,减小振动。b、增加塔架的阻尼,如可采用在塔的内、外壁涂覆阻