失效-安全拓扑优化方法及其在风电机组塔架设计的应用

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1、毕业设计（论文）专业班级新能源科学与工程2失效-安全拓扑优化方法及其在风电机组塔架设计的应用摘要风电机组的塔架作为支撑机舱和风轮的结构，承受了极大的重力载荷以及空气载荷，其稳健性是保障风电机组正常运行的前提。近年来，塔架高度在风电机组的大型化趋势下不断增加，其成本也随之增长，传统的圆筒式钢结构塔架不再能满足厂商对经济性的要求，风电市场急需更为经济的新型塔架注入活力。在此背景下，本文对塔架整体进行考虑失效-安全的拓扑优化结构设计，得到了一种可靠性和经济性并存的新型桁架式塔架。具体工作主要包括以下三个方面：（1）总结归纳了一种软删单元格的双向渐进结构优化方法(BESO方法)并通过两

2、个算例复现了此方法；给出了用Matlab实现算法以及Matlab结合ANSYS有限元分析功能进行联合仿真的具体流程。（2）分析了考虑失效-安全的BESO方法的优化列式与求解方法；推导了基于链式求导法则的敏度分析方法；通过两个算例讨论失效-安全设计对拓扑优化结构的影响，并证明考虑失效-安全设计的BESO算法的优越性。（3）建立风电机组的塔筒的有限元模型，通过Matlab和ANSYS软件的联合仿真将考虑失效-安全的BESO方法应用到风电机组的塔筒设计中，得到了新型塔筒。关键词：风电塔架，拓扑优化，BESO，失效-安全设计2ABSTRACTAsastructuresupporting

3、thewindturbinealongwiththegiantrotor,thewindturbinetowerbearsagreatdealofgravityloadandaerodynamicloadaswell,therefore,therobustnessofthetoweristhepremisetoensurethenormaloperationofthewindturbine.Undertherecenttrendofupsizingthewindturbines,towershavebecometallerandtallerwithitscostblowingu

4、pdramatically.Thetraditionalcylindricalsteelstructuretowercannolongermeettheeconomicrequirementsofmanufacturers,andthewindpowermarketisinurgentneedofamoreeconomicaltypeoftowertoboostitsdevelopment.Inthiscontext,anoveltypeoftrusstowerwithreliabilityandeconomyisobtainedasaresultofthefail-safet

5、opologyoptimizationutilizingBESOmethod.Themaincontentsareorganizedasfollows:(1)Asoft-killbi-directionalevolutionarystructuraloptimization(BESO)methodissummarizedandrevisitedviatwonumericalexamples;DetailedprocessesofMatlabsimulationandajointsimulationschemeofMatlabandANSYSbasedonfiniteelemen

6、tanalysisaregiven.(2)Theoptimizationformulaandsolutionoffail-safetopologyoptimizationwithBESOmethodareanalyzed;Thesensitivityanalysismethodbasedonchainruleisderived;Theinfluenceoffail-safedesignontopologyoptimizationisdiscussedaccordingtwotests,whichalsoprovestheadvantageoffail-safetopologyo

7、ptimization.(3)Thefiniteelementmodelofwindturbinetowerisestablished;Thefail-safetopologyoptimizationusingBESOmethodisappliedtothestructuraldesignofthewindturbinetowerthroughthejointsimulationofMatlabandANSYSsoftware,andanewtypeoftowerisobtained.KEY