全国大学生结构设计竞赛计算书Word格式.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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）W551501，22，66301.01044.3 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。结构顶部横梁采用矩形截面，高6mm，宽2mm。其它横梁采用T形截面，T形截面翼板宽6mm，腹板高4mm，厚1mm。柱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

6、性，在柱子中每隔40mm增设一横隔板，横隔板厚度为1mm。腹杆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详图图12 顶部横梁与立柱连接典型结点详图图13 T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

7、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

8、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。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

9、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

10、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0.22 mm。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

11、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。横梁采用矩形截面横梁采用T形截面柱截面详图腹杆截面详图图20 杆件详图参考文献1. GB50009-2006建筑结构荷载规范S2. 高耸结构设计规范GBJ135903. 郭新生.风能利用技术.化学工业出版社.