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风力发电机塔架风荷载识别和风致疲劳的研究

尹艳杰  
【摘要】:风电塔架是机组的承重结构,同时还承受风荷载的作用。风荷载的大小及方向均具有时变性,风荷载的作用使得风电塔架发生因疲劳导致强度不足而致使塔架破坏的可能性很大。因此,对随机风荷载作用下的塔架进行疲劳分析的研究具有很重要的意义和实用价值。 本文根据内蒙古武川风场的场地条件,对风电塔架承受的随机风荷载进行数值模拟,在此基础上,基于有限元软件分析塔架在随机风荷载下的风振响应。然后,采用精细积分法和直接法进行塔架简化模型的风荷载识别,分析响应中混有噪声时对荷载识别精度的影响。最后,基于线性累积损伤理论和S-N曲线来获取塔架在设计使用寿命内的疲劳累积损伤,估计出塔架的疲劳寿命,从而评估结构的安全性。 研究结果表明:风电塔架顶部动态位移的放大系数达到1.885,底部动态应力的放大系数达到1.2,动态响应放大效果显著。瞬态风速下塔顶位移峰值与基于规范所计算位移的比值为1.691,说明基于规范的计算结果偏小,建议规范可以考虑增大风振系数。0.45Hz~0.55Hz频率段对塔架动态响应的贡献较大,在位移、速度和加速度功率谱中该频率段的功率所占比例分别为66.73%、79.24%和77.84%;低频成分对位移的影响较对速度和加速度的影响大,高频率部分几乎未传递到塔架上。在额定风速下,随着基本风速的增加,位移和应力呈抛物线形增加,额定风速以后呈线性增加,而且增加速度减小。在无噪声的情况下,精细时程积分和直接法的识别效果均较好;但是加入噪声以后,即使在低水平的噪声下精细积分也已不能满足精度要求。两种方法的识别误差均随着塔身高度的增加而增大,识别结果的病态首先在较高位置处出现。塔架底部节点为其疲劳分析的关键点,另外,门洞与塔架的连接部位及塔架的变厚度处均是进行疲劳分析时应该重点关注的节点;门洞的开设位置对门洞处节点疲劳损伤的影响较对塔架节点的影响大,门洞开设在背离常年主导风向一侧时对塔架抗疲劳能力的提高较为有利。 文中研究成果可以为风电塔架的风振分析提供参考,为风电塔架疲劳分析的研究提供借鉴。


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