20世纪90年代以来,全球可再生能源行业发展不断加速,风能凭借其清洁环保,取之不尽、用之不竭的特点备受各国关注。风力机的功率不断增大,分布范围更加广泛,运行环境也愈发恶劣。诸多因素导致大型风力机将无可避免地面临严峻的经济性和安全性的挑战,而塔架失稳已成为威胁现代风力发电系统安全稳定运行的主要因素。本文以国家自然科学基金项目“河西地区风况下风力机叶片的刚柔耦合颤振动力学问题研究”(No.51565028)为支撑,以2MW风力机锥筒形钢塔为研究对象,利用有限元方法求解塔架的静强度、自振特性及屈曲稳定性。在此基础上,对塔架进行试验分析并建立塔架结构优化近似模型。针对塔架成本高,塔顶位移过大和门洞集中应力问题,对塔架整体和门洞进行二次优化。具体内容安排如下:(1)塔架静强度与刚度校核。计算三种工况(DLC1.3、DLC3.2和DLC6.1)下塔架所受的载荷。建立塔架的有限元模型,参照IEC 61400-6 ED1标准以及工程经验,校核不同工况下塔架的静强度与刚度。结果得到在工况DLC1.3和DLC3.2下,塔架的强度和刚度均满足规范要求。而在工况DLC6.1下,塔架强度满足要求,但塔顶位移为641.98mm,占塔架总高度的0.82%,达到经验要求的最大值(塔高的0.8%),表明风力机存在安全风险。(2)塔架自振特性及稳定性分析。对塔架进行自由模态分析,求解其自振特性。结果显示,塔架的一阶固有频率为0.383Hz,在风轮频率的1P和3P之外,不会与风轮发生共振。门洞和塔顶结构偏心对塔架固有频率影响很小,但塔顶结构质量对塔架自振特性的影响非常大。进行塔架非线性屈曲分析,得到有门洞塔架的临界屈曲载荷为5.17E7N,小于无门洞塔架的屈曲临界载荷5.21E7N,表明门洞结构可降低塔架的稳定性。塔架的屈曲因子为0.077,远小于1,证明其屈曲稳定性良好。(3)塔架优化问题近似模型构建。以第1、2章有限元分析结果为基础,通过最优拉丁超立方试验设计,分析塔架5个结构响应(塔顶位移、塔架质量、最大应力、一阶固有频率和一阶屈曲特征值)对设计变量(塔顶厚度、塔底厚度、塔架高度和塔底半径)的敏感度。然后建立塔架结构响应与参数的二阶响应面近似模型并验证响应面的精度。(4)塔架整体及门洞优化。以塔架质量、塔顶位移及最大应力为目标,以一阶固有频率、临界屈曲载荷、极限强度和参数变化范围为约束条件,利用NSGA-II算法对塔架整体进行优化,并结合本文的研究目标,确定塔架整体设计最优方案。进而以得到的优化塔架为基础,对门洞进行最优拉丁方试验设计,建立塔架最大应力与门洞参数的二阶响应面模型。采用模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)优化门洞,以使塔架最大应力达到最优。最后,对最终方案进行仿真模拟以验证优化方案的精确性与优越性。