基于有限元法的索塔式风机塔架结构优化设计与分析

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塔架作为风力发电机的主要支撑结构,将风轮抬升到工作高度获得驱动发电机的能量。塔架重达百余吨,随着风力发电机功率的不断提高,塔架的重量也在随之增加。有关资料显示,风力发电机塔架的制造成本至少占总成本的18%。近年来,我国加大了风力发电的投入,年装机容量不断提高,风力发电技术尤其是海上风电技术得到发展,作为风力发电大国,在保证塔架安全性能的前提下,研究新型塔架,优化塔架结构,降低塔架制造成本,对降低风力发电成本具有重要意义。  本文以某实际项目在国内主流1.5MW水平轴风力发电机传统圆锥式塔架的基础上设置预应力拉索的索塔式塔架为研究对象,采用大型有限元分析软件ANSYS对索塔式塔架在五种工况下进行进行了静强度分析;对塔架在三种工况下进行了稳定性分析以及动力特性分析,得到索塔式塔架结构在各工况下的力学性能指标都符合相关规范的要求。  利用ANSYS的优化模块对塔架结构的塔架壁厚进行优化了设计,得到优化后的塔架结构模型,在质量较小的同时,塔架的应力分布更趋于均匀,塔架的各项指标相应都符合设计要求,同时,塔架的一阶频率减小,塔架的刚度减小,稳定性得到增强。  将不同批次的拉索预张力塔架模型的相关指标进行对比,得到拉索预张力与塔架顶端最大位移值的线性关系和拉索预张力与塔架上下部最大应力值的线性关系,说明本文中研究的索塔式风机塔架结构刚度较大。  对索塔式塔架拉索的布置进行了优化分析,得到索塔式风机塔架拉索在相同高度下一层布置时受力性能更优塔架结构;索塔式风机塔架拉索在相同根数一层布置时的受力性能最优塔架;对塔架顶端位移最大值的控制方面受力性能更优的索塔式风机塔架。  由于本文的索塔式塔架仍采用原有圆锥式塔架的体型和参数,某些参数可能并不合理,拉索对塔架结构的影响以及拉索与塔架的共同作用较复杂,为寻求索塔式塔架的进一步优化提供依据和参考。
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