全国大学生结构设计竞赛计算书Word格式.docx
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东南大学
1设计说明
此次结构设计竞赛模型为定向木结构风力发电塔。
竞赛限定塔身高为800mm,叶轮直径为800mm。
竞赛目的是为了在满足竞赛要求的情况下,通过合理设计叶片形状和数目,使得风力发电机的发电效率最大,同时尽量保证发电塔的塔身结构材料消耗较轻,结构强度和刚度能够满足竞赛要求。
这需要综合运用空气动力学、结构力学和材料力学等相关的力学知识。
从结构刚度要求和节约材料角度出发,发电塔结构选择正三角形截面的格构式结构。
其具有较好的刚度,同时在视觉上,我们也希望以尽量少的杆件形成刚度较好的塔架结构,并通过合理的设计尽量减小杆件的截面尺寸,这样从各个角度观赏结构都具有较好的视觉效果。
我们设计的结构模型效果如图1所示。
图1结构模型图(斜视图)
2总装配图
总装配图如图2所示,采用三片叶片,三片叶片之间角度为120度。
叶片与风电塔之间采用风叶连接件进行连接,风叶连接件的外轮廓尺寸为92mm。
图2总装配图
3叶片设计及构件图
图3风力发电机测试系统
风力发电机的功率和位移测试系统如图3所示。
在风力发电机的发电功率测试系统中,发电机功率采用功率计测量,负载为15欧姆。
风力发电机的效率和叶片对发电机产生的扭矩密切相关,其与电流强度、叶片的动力扭矩成正比。
图4叶片外轮廓图图5叶片分段截面尺寸
风力发电机叶片设计是风力发电机捕捉风能的核心部件,叶片设计的好坏直接决定了风力发电机的发电效率,是整个风力发电机系统最为关键的部分。
根据竞赛中给定的风速条件,本风力发电机的叶片应设计为低速叶片。
叶片设计需要遵循以下几个原则。
叶片面积要适中,不能过大和过小,叶片面积过大则各个叶片相互之间会有干扰,从而影响叶片对电机的扭转力矩;
叶片面积过小,则叶片的兜风面积过小,每个叶片对电机的扭矩减小。
叶片的角度要合理,角度过小,风的扭矩不足;
角度过大,在转动过程中,空气的阻力也较大。
根据上述原则,设计的叶片构件图如图4-5所示,图4为叶片外轮廓图,图5为叶片分段截面尺寸。
4塔架设计、构件图及主要连接图
4.1发电塔架设计
根据竞赛要求,塔架截面为正多边形。
风力发电塔结构的主要受水平风荷载作用,如图6所示。
发电塔结构受力近似为悬臂梁结构,其受力特点如图7所示。
在迎风一侧的立柱主要受拉力,在背风一侧的立柱主要承受压力。
基于此,考虑塔架刚度和强度要求,以及风的方向,塔架截面设计为正三角形。
且三角形发电塔的底边要和来流风荷载的方向垂直,同时将一根立柱前置,位于迎风向,受拉为主;
另外两根立柱位于背风向,受压为主。
图6风电塔荷载图7风电塔受力特点
图8结构模型图(立面图)
这样使得由于风力发电机选用的叶片面积较大,风荷载较大,将塔架分为5段,每段160mm。
在风荷载作用下,由于风轮扫略面上下部位风速的不均匀分布、叶轮和电机的位置轻微偏心而引起的振动都会导致发电塔架受扭。
应增加塔架截面的抗扭刚度以抵抗该扭转力矩,为此将斜腹杆设计为交叉腹杆,如图8所示。
4.2结构几何与材料属性的确定
根据竞赛给定的木材规格,选择材料其规格、强度、弹性模量如表1所示。
其顺纹抗拉强度、弹性模量作为模型计算时确定材料属性的依据。
表1材料规格与参数
材料规格
截面尺寸(mm)
抗拉强度(MPa)
弹性模量E(MPa)
W551
50×
1,2×
2,6×
6
30
1.0×
104
4.3塔身构件图
根据对结构的传递路径分析,我们确定了结构各杆件的截面型式与尺寸。
结构顶部横梁①采用矩形截面,高6mm,宽2mm。
其它横梁②采用T形截面,T形截面翼板宽6mm,腹板高4mm,厚1mm。
柱③采用正三角形箱型截面,边长10mm,厚度1mm。
考虑柱子受轴力较大,为增加立柱的稳定性,在柱子中每隔40mm增设一横隔板,横隔板厚度为1mm。
腹杆④采用正三角形箱型截面,边长为5mm,厚度1mm。
腹杆采用T形截面,与②相同。
风力发电塔的顶部正三角形截面边长为100mm,底部边长为200mm,其尺寸和构件如图9-10所示。
图9塔架尺寸
图10塔架构件图
4.4主要连接图
顶部横梁与立柱连接典型结点详图
图11顶部斜腹杆与立柱连接典型结点②详图
图12顶部横梁与立柱连接典型结点①详图
图13T形截面斜腹杆交叉连接结点
图14塔架柱脚安装连接图
柱子与塔架安装底板连接如图14所示,叶片与连接件连接节点图15所示。
图15塔架柱脚安装连接图
5水平风荷载计算
本风力发电塔承受的主要荷载为水平向的风荷载。
风荷载主要包括两个部分,一个部分是叶片部分的风荷载;
另外一部分是塔架结构的风荷载。
经过反复调试,最后本风力发电机选用三片叶片。
每个叶片的面积约为2800mm2。
对于叶片,风荷载的压强近似计算公式为
(1)
其中,为风压,单位为N/m2;
为空气密度,近似取为1.2930kg/m3;
为风速,竞赛中给定,三级风速分别为4m/s,6.8m/s和9m/s。
其中比赛中保证在第二级风速下,发电塔的刚度要进行测量,同时保证在第三级风速下结构不倒塌。
叶片的风荷载计算公式为
(2)
其中,为叶片风荷载,单位为N;
为叶片面积;
为叶片体型系数,这里近似取1;
为风振系数,考虑结构刚度较好,风速较低,这里近似取1。
塔架结构的风荷载也可按照公式
(2)来计算,体型系数可按照建筑结构荷载规范GB50009-2001(2006版)中表7.3.1中项次34塔架类查取。
其中风向考虑为三角形风向④。
挡风系数为0.15,查表可得风载体型系数为2.3。
塔架的风振系数可近似取为1。
6结构变形计算
结构承受竖向重力荷载和水平风荷载作用。
竖向荷载主要包括发电机自重、叶片自重和塔架自重。
发电机自重为3700g。
6.1有限元模型的建立
图16有限元模型斜视图
根据高耸结构设计规范GBJ-135-90,对于塔架结构,在进行结构内力分析时应按作为空间桁架结构进行计算,但由于本塔架为木结构,节点处连接主要靠胶水进行粘连,按照刚接计算较为合理。
所以本塔架结构在进行内力分析时,采用空间刚架结构进行计算。
且本结构为空间结构,涉及杆件较多,具有多次超静定的特性,通过手工计算难以获得其准确的计算结果。
为此,我们根据确定的结构型式、杆件截面以及材料属性等设计参数,在大型通用有限元分析程序ANSYS中建立结构的分析模型。
分析时,刚架横梁、联梁、立柱以及斜腹杆采用Beam44梁单元,结构的空间三维有限元模型如图16所示,
6.2分析假定
(1)风力发电塔结构固定于塔架安装底板上。
发电塔柱底通过螺栓固定,根据其约束情况,在结构分析模型中,三个柱子的柱底节点约束取为理想铰接约束。
(2)所有结构构件均在弹性范围内工作,即计算时不考虑结构的材料非线性,但为了提高位移计算结果的精确性,分析时考虑结构的几何非线性影响,即打开大变形效应开关,将NLGEOM设为ON。
(3)根据竞赛试验要求,所施加的荷载工况为:
工况1-在第二级风荷载作用下计算结构变形;
工况2-在第三级风荷载作用下结构满足承载力要求。
6.3位移计算结果
图17第二级风荷载作用下的水平向(X向)位移云图
第二级水平风荷载作用下的水平(X向)位移计算结果如图17所示。
最大水平(X向)位移发生于柱的顶部,最大水平(X向)位移非常小,仅为0.22mm。
图18第二级风荷载作用下的水平向(Y向)位移云图
第二级水平风荷载作用下作用下的水平(Y向)位移计算结果如图18所示。
由于该方向为风荷载的主要作用方向,因此Y向位移比X向位移大,最大位移为3.50mm,同样发生于柱的顶部,可见结构的受力特性接近于悬臂梁。
此外,根据风荷载的方向,将三角形电塔的底边设置与来流风向垂直,以结构刚度最强方向来抵抗风荷载,是非常合理的。
7结构承载力计算结果
7.1强度验算
结构在水平第三级荷载作用下的最大应力云图如图19所示,其中结构最大压应力达到-12.25MPa,位于背风一侧的柱子底部。
最大拉应力位于迎风一侧柱子底部,为24.45Mpa。
最大应力都小于木材的抗拉强度,满足强度要求。
图19第三级风荷载作用下的结构最大应力云图
7.2稳定性分析(对压弯柱)
稳定性分析参考钢结构稳定分析原理处理
平面内稳定计算公式为:
平面外稳定计算公式为:
根据上述公式,对受压状态下的各构件进行了验算,皆满足要求。
8模型详图与材料预算
根据结构设计方案,考虑到加工要求,根计算数提供结构杆件的详图与下料统计预算表如下所示。
结构的整体图与节点详图如前面的图20中所示。
横梁①采用矩形截面
横梁②采用T形截面
柱③截面详图
腹杆④截面详图
图20杆件详图
参考文献
1.GB50009-2006建筑结构荷载规范[S]
2.高耸结构设计规范GBJ135—90
3.郭新生.风能利用技术.化学工业出版社.