风力机塔架的地震动力学响应及稳定性研究

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对于中国来说,发展无污染能源,风能是主力军。风力发电机作为风电的主要设备,尤其备受关注,这类高耸塔式结构纵向尺寸和横向尺寸之比很大,整体结构的抗弯刚度相对柔软。在许多自然灾害如地震、台风等发生时,载荷作用于建筑物产生弯矩,当此数值大于极限屈曲值,就会出现断裂、坍塌等破坏现象。本文通过ANSYS软件的有限元分析方法,选取某1.5MW风力发电机,通过建立模型,做了一系列工作,本文主要研究如下:(1)在保证计算精确的前提下,忽略部分零件与设备,对本文研究的风力发电机部分及整体进行三维建模。针对风力发电机结构的力学特性,建立了不包含地基的独立有限元模型。(2)求出风载荷作用下的激励源频率值,对比结构的固有频率值,当两数值相同或差值较小时,结构内部的应力和位移将无限趋向于正无穷,系统就会产生共振现象,从而对风力发电机产生破坏。本文对风力发电机进行模态分析,考虑在极端风载荷作用下,采用分块法(block lanczos)求解风力发电机组塔架的频率和振型,得到前20阶模态频率表及前10阶模态振型图。本文研究的风力发电机结构固有频率与叶片激励频率差值避开率分别为17.17%、18.56%、22.12%,在激励频率范围之外,故不会发生共振现象。(3)本文选定的1.5MW风力发电机所在地区场地类别为Ⅱ类,最大抗震设防烈度为Ⅶ度。从地震记录中选取两种不同的地震波,两段地震波的时间为40s,每隔0.02s输入一次。运用动力时程分析法,通过对比两种不同地震载荷作用下的风力发电机地震动力学响应,得到位移、加速度时程曲线,以及塔架、基础的最大应力云图。研究结果可以发现,地震波周期的长短对风力发电机结构地震动力学响应影响较为明显,风力发电机塔架的位移和加速度时程曲线峰值与低谷相较于地震波曲线存在延迟情况,在地震发生过程中应力主要集中在风力发电机的基础边缘位置,受到塔架摇摆的较大影响。(4)为研究风力发电机的稳定性,对比有限元法和工程计算两种屈曲计算方法,得到风力发电机结构的线性和非线性屈曲临界载荷值、工程计算的屈曲临界载荷值,并将三种载荷值进行对比研究,既能方便计算,同时更加准确的为风力发电机的稳定性分析提供指导。
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