基于ansys的垂直轴风力机塔架的力学分析及结构优化

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1、基于ANSYS的垂直轴风力机塔架的力学分析及结构优化王印军，任勇生，孙丙磊，宋玉璧（山东科技大学机电学院，山东青岛266510）摘要：基于ANSYS对大型垂直轴风力机塔架进行静态学分析、动力学分析及结构优化。首先根据风力机的功率确定塔架的大体尺寸，然后对塔架进行静力分析，并对塔架承受最大载荷时的最大应变进行强度校核。动力学分析包括有预应力的模态分析、地震谱响应分析。为了避免塔架在发电机的激励下产生共振，通过ANSYS优化改变塔架的结构尺寸使其固有频率增大，从而避免塔柱共振。优化的数据再返回到静力分析中进行分析，验

2、证塔架最大应变和强度是否符合要求关键词：垂直轴风力机塔架；静力学分析；动力学分析；地震谱响应分析；结构优化；ANSYSMechanicalPerformanceAnalysisAndStructureOptimizationOfTowerOfVerticalAxisWindTurbineBasedOnANSYSWANGYin-jun,RENYong-sheng,SUNBin-lei,SongYu-bi（CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，ShanDongUniv

3、ersityofScienceandTechnology，QingDao266510,China）Abstract:Staticsanalysis,dynamicsanalysisandstructuraloptimizationoflargetowerofverticalaxiswindturbinewerepresentedbasedonANSYS.Firstofall,accordingtothepowerofthewindgeneratorsthesizeofthetowerwasdetermined.A

4、ndthenstaticsanalysisforthetowerwascarriedout.Andthestrengthcheckforthemaximumstrainofthetowerwasdiscussedunderthemaximumload.Dynamicsanalysisincludingprestressedmodalanalysis,seismicresponsespectrumanalysiswasperformed.Inordertoavoidtowerresonance,thestructu

5、resizeoptimizationoftowerthroughtheANSYSwaspresented，whichmakesthenaturalfrequenciesoftowerincrease.Finally,optimizationdatawasreturnedtothestaticanalysis,inordertocheckwhetherthebiggeststrainandstrengthoftowermeettherequirementsornot.Keywords:towerofvertical

6、axiswindturbine;staticsanalysis;dynamicsanalysis;seismicresponsespectrumanalysis;structuraloptimization;ANSYS0引言：风能是一种绿色新能源，全球蕴含着丰富的风能资源并且分布在几乎所有国家和地区，所以风能得到了越来越多关注。我国风能资源排在俄罗斯、美国之后，位居第三位，我国的风能资源主要集中在东北、华北、西北以及东部沿海地区便于大规模的开发利用[1]。风能资源主要集中在50米以上的高空，是低空资源的2倍左右，

7、大容量的风力机机组便于大规模风能的开发利用，因此大功率的风机具有很好的发展前景。塔架是风力机的承载部分，塔架的设计是风力发电机组不可缺少的一部分，尤其对于大功率的风力机组[2]。当前，风能正作为辅助能源发挥着巨大的作用，然而，这些已投入使用的风力机存在若干不足之处，尤其是结构的安全性和可靠性仍然不能得到充分的保障。塔架结构的力学分析对于风力机的安全可靠性能具有重要的参考价值。结构振动导致的材料疲劳通常是系统损坏的主要原因之一，振动还会产生噪音，影响周围环境。所以了解风力机各部分的刚度特性十分重要，其不但可以为动力

8、学设计提供参考，使风力机避免因共振造成的结构破坏与噪声污染，而且可以兼顾风力机的经济性，节省材料、降低成本[3]，因此结构动力分析必不可少。在风力发电机中，塔架占成本的25%左右[1]，结构优化在满足结构性能的前提下减小塔架的成本，因此，对塔架进行结构优化是十分必要的。随着风力机机组的单机容量的不断增加，与之配套的圆柱形塔架也向着高耸化风向发展，大型风力机塔架组的高度一般