大型风力机塔架动响应特性及失效机理研究

【摘要】大型风力发电机塔架是重要的承载部件，塔架的性能直接影响了风力发电机运行的稳定性和可靠性，随着风力发电机单机容量不断加大，风力机结构整体的强度、振动、稳定性问题日益突出。本文以国家自然科学基金项目为背景，以MW级风力发电机塔架为主要研究对象，结合工程规范、有限元分析方法、实验方法，对大型风力机塔架的动力学进行分析，并对塔架的两个主要连接失效方式，螺栓连接和焊接进行研究，给出塔架螺栓连接失效的主要评估参数和影响焊缝疲劳寿命的几何参数。首先分别采用工程算法和有限元分析方法对塔架的自振频率进行计算。采用有限元分析方法计算塔架自振频率时分别考虑了机舱叶轮质量、塔门、叶轮的工作载荷、作用在塔架上的随机风载荷对其的影响。采用流固耦合方法，在复杂多变的随机风载荷作用下，计算塔架表面在风场中受到的风载荷，计入其对结构刚度的影响，得到风力机塔架的自振频率，并且与实测的风力机塔架自振频率进行对比，采用风机标准对其进行校核。给出一种合理的风力机塔架有限元分析模型，用于塔架自振频率的计算。塔架动力学响应分析中，得到风力机塔架顺风向和横风向响应。在顺风向响应分析中，对风力机塔架顶端的最大位移量进行校核。在横风向响应分析中，主要对塔架尾流的脱涡情况进行分析，得到在极限风速下，塔架不同高度处横截面的涡脱落频率。在塔架的振动分析中，本文将叶轮旋转产生的激振力频率与塔架自振频率避开，在达到风机标准要求后，计算塔架尾流的脱涡频率，并且与塔架的自振频率相比较，对风机标准中塔架的振动校核进行补充，给出一种塔架振动校核的新方法。其次，在风力机塔架满足强度和振动要求的前提下，计算风力机塔架的疲劳寿命，工程算法只能得到指定位置的疲劳寿命值，本文通过BLADE软件得到时程疲劳载荷谱，采用有限元分析软件得到塔架在六个载荷分量下的应力分布，结合风机设计标准得到塔架材料的应力-寿命曲线，在疲劳分析中考虑材料的表面加工质量和平均应力的影响，采用局部应力应变法计算塔架结构的疲劳寿命分布。可以得到塔架各个位置的疲劳寿命值，给出通过商业软件进行塔架疲劳寿命计算的建模方法。塔架疲劳分析计算后得到塔门附近的疲劳寿命较低，为后续塔架疲劳寿命优化提供依据和计算手段。当塔架满足强度、振动、疲劳要求后，以大型风力机塔架为研究对象，进行塔架失效机理研究，塔架失效形式有多种，本文分析其连接部位的失效形式，即螺栓连接和焊接。对塔架的螺栓连接建立有限元分析模型，螺栓的强度和疲劳完全满足使用要求的前提下，将螺栓松动做为螺栓连接失效的主要形式进行实验研究和数值计算，得到螺栓连接结构的自振频率对螺栓松动损伤比较敏感，双螺栓试件的损伤实验结果与有限元分析数据吻合，验证有限元方法的可行性。给出塔架连接螺栓自振频率计算的有限元建模方法，得到自振频率可以做为螺栓松动的判定参数。最后对塔架焊接的失效机理进行分析，在随机交变风载荷的作用下，由于焊缝的承载能力一般高于母材，其主要失效形式为疲劳。焊缝的疲劳分析采用结构应力法，此方法可得到焊趾处的应力集中，建立平板对接焊焊缝模型，采用疲劳分析软件FE-SAFE得到板厚和焊缝余高与焊缝疲劳寿命的关系曲线。以塔架焊缝模型为对象，利用结构应力法计算得到塔架焊缝的疲劳寿命分布，为塔架的焊缝的疲劳设计及优化提供一种仿真建模方法。
【作者】潘萍萍；
【导师】陈长征；
【作者基本信息】沈阳工业大学，机械设计及理论，2013，博士
【关键词】塔架；自振频率；焊缝疲劳；螺栓；

【参考文献】
[1]高雅.WTO争端解决机制与中国策略选择[D].吉林财经大学,国际商务,2014,硕士.
[2]马伟,赵琳,王庆金.人口城镇化评价体系构建及实证研究——以青岛市为例[J].生产力研究,2014,08:147-149.
[3]王恩东.幂律流体撞击射流破碎机理的实验研究[D].天津大学,动力机械及工程,2013,硕士.
[4]张佳莹.基于线性调频技术的焊缝超声检测系统与方法[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2014,硕士.
[5]周涛,刘继生.吉林省农产品加工产业集群布局和发展模式研究[J].地理科学,2013,07:815-823.
[6]尚景武.强化运输组织充分发挥徐州北现代化编组站的作用[J].铁道运输与经济.1993(10)
[7]吴峰.面向英文辅助写作系统的摘要句分类及频繁模式挖掘[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[8]张淼.当前大学生马克思主义信仰教育问题及对策研究[D].广东外语外贸大学,思想政治教育,2013,硕士.
[9]尹海洋.带锁髓内钉与锁定加压钢板治疗肱骨干骨折的疗效分析[D].大连医科大学,外科学,2012,硕士.
[10]张茜.城市轨道交通列车自动运行（ATO）多目标控制策略研究[D].北京交通大学,2014.
[11]杨礼坤.基于机器视觉的瓷器检测分类系统研究与实现[D].杭州电子科技大学,计算机技术,2014,硕士.
[12]李银伢,盛安冬,王远钢.期望指标集约束下一类随机系统的满意PID控制[J].控制与决策,2007,03:252-257.
[13]容江磊.汽车气动力特性的分析与优化研究[D].湖南大学,车辆工程,2011,硕士.
[14]涂有志.从冷战后日本的立法体系看日本防卫政策的转变[D].复旦大学,国际关系,2012,硕士.
[15]费红辉.面向重点区域的三维GIS系统研究[D].杭州电子科技大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[16]陆善婷.单边Lipschitz观测器设计及其在柔性机械臂系统中的应用[D].华东理工大学,控制工程,2014,硕士.
[17]王军.籼稻稻米品质性状的遗传研究[D].西南农业大学,作物遗传育种,2004,硕士.
[18]张劲松.基于知识资产获取的企业并购研究[D].西南财经大学,2003.
[19]段志锋.中小企业实施品牌营销策略的研究[D].北京交通大学,2009.
[20]孙建波.硅酸钠基h-BN复合导热胶的制备与性能表征[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2013,硕士.
[21]黄健.基于DaVinci平台的铜成分软测量系统设计[D].浙江大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[22]俞微芳.企业所得税对上市公司资本结构的影响研究[D].浙江大学,会计学,2003,硕士.
[23]邢晓虎.肼屈嗪/乐尼安—聚丙烯酰胺大分子前药的合成与控制释放研究[D].西北大学,有机化学,2014,硕士.
[24]徐晓丽.影视语言叙述表意方式的研究[D].云南师范大学,广播电视艺术学,2013,硕士.
[25]黎旭.城际轨道交通隧道疏散与防灾研究[D].西南交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[26]姜健辉.正当防卫若干问题研究[D].吉林大学,法律,2004,硕士.
[27]唐春艳.血脂异常ApoE基因缺失小鼠RPE-Bruch膜-脉络膜毛细血管复合体的实验研究[D].成都中医药大学,中医眼科学,2012,硕士.
[28]康延.平遥漆器产业现状研究[D].北京服装学院,美术学,2012,硕士.
[29]曲寿利.频率加权滤波方法及应用[J].石油地球物理勘探,1997,06:865-871+890.
[30]李宁.基于仿真的生产调度问题研究[D].兰州理工大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[31]赵言顺.大鼠急性小肠梗阻血清降钙素原和C-反应蛋白时段变化的实验研究[D].青岛大学,急诊医学,2013,硕士.
[32]李舒亮.建设项目的风险管理效率研究[D].哈尔滨工业大学,2006.
[33]王祎好.谨慎性的“非对称性”视角下财务指标改进研究—从投资者的角度出发[D].兰州商学院,会计学,2014,硕士.
[34]刘佳.辽宁美城路桥工程有限公司市政工程施工质量管理研究[D].吉林大学,项目管理,2013,硕士.
[35]左铁镛.高等学校实验室建设的作用与思考[J].实验室研究与探索,2011,04:1-5.
[36]吴帅.公诉语言应用研究[D].中国政法大学,法学理论,2014,硕士.
[37]徐祥合.基于BP网络的客户分类方法研究[D].南京航空航天大学,2004.
[38]陈宗欣.数学学习障碍儿童的RTI评估干预研究[D].华中师范大学,心理健康教育,2014,硕士.
[39]李淑英.公民劳动权保障的宪政分析[D].华东政法学院,宪法学与行政法学,2003,硕士.
[40]丁恒飞.分数阶偏微分方程的有限差分方法[D].上海大学,计算数学,2014,博士.
[41]马月.碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的制备及力学性能研究[D].长春工业大学,高分子化学与物理,2013,硕士.
[42]张超.论著作权权利管理信息的保护[D].宁波大学,法律,2014,硕士.
[43]张晓娟.美国终身教职制度对我国教师聘任制改革的启示[D].鲁东大学,教育学原理,2014,硕士.
[44]方中茂.提高河茂线运输能力的探讨[D].西南交通大学,交通运输工程,2012,硕士.
[45]库媛.超声波焊接参数对PP-ABS接头抗拉强度的影响[D].吉林大学,材料加工工程,2014,硕士.
[46]王伟.基于季胺基修饰1，4，7，10-四氮杂环十二烷（cyclen）核磁共振成像造影剂的研究[D].华东理工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[47]舒风笛,毋国庆,王敏.图象数据关联规则挖掘[J].小型微型计算机系统,2001,11:1353-1356.
[48]金灿,王飞,苏为科.黄体酮合成工艺改进[J].化工生产与技术,2013,02:10-11+36+7.
[49]姜德志.网络采购竞价平台的设计和实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[50]王晓迪.腱糖蛋白C在急性心肌梗死患者血清中浓度变化及与左室重构的关系[D].广西医科大学,内科学（专业学位）,2013,硕士.