1、參賽學(xué)校:東南大學(xué)作品名稱:紫氣東來參賽隊(duì)員：張逢劉天一姚劉鎮(zhèn)1設(shè)計(jì)說明1.2總裝配圖1.3葉片設(shè)計(jì)及構(gòu)件圖2.4塔架設(shè)計(jì)、構(gòu)件圖及主要連接圖3.4.1發(fā)電塔架設(shè)計(jì)3.4.2結(jié)構(gòu)幾何與材料屆性的確定5.4.3塔身構(gòu)件圖5.4.4主要連接圖6.5水平風(fēng)荷載計(jì)算8.6結(jié)構(gòu)變形計(jì)算9.6.1有限元模型的建立9.6.2分析假定1.06.3位移計(jì)算結(jié)果1.07結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算結(jié)果117.1強(qiáng)度驗(yàn)算1.17.2穩(wěn)定性分析（對(duì)壓彎柱）128模型詳圖與材料預(yù)算1.2參考文獻(xiàn)131設(shè)計(jì)說明此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽模型為定向木結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電塔。競賽限定塔身高為800mm,葉輪直徑為800mm。競賽目的是為了在滿足競賽要求的情

2、況下，通過合理設(shè)計(jì)葉片形狀和數(shù)目，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率最大，同時(shí)盡量保證發(fā)電塔的塔身結(jié)構(gòu)材料消耗較輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度能夠滿足競賽要求。這需要綜合運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)等相關(guān)的力學(xué)知識(shí)。從結(jié)構(gòu)剛度要求和節(jié)約材料角度出發(fā)，發(fā)電塔結(jié)構(gòu)選擇正三角形截面的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。其具有較好的剛度，同時(shí)在視覺上，我們也希望以盡量少的桿件形成剛度較好的塔架結(jié)構(gòu)，并通過合理的設(shè)計(jì)盡量減小桿件的截面尺寸，這樣從各個(gè)角度觀賞結(jié)構(gòu)都具有較好的視覺效果。我們設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型效果如圖1所示。圖1結(jié)構(gòu)模型圖（斜視圖）2總裝配圖總裝配圖如圖2所示，采用三片葉片，三片葉片之間角度為120度。葉片與風(fēng)電塔之間采用風(fēng)葉連接件進(jìn)

3、行連接，風(fēng)葉連接件的外輪廓尺寸為92mm。總裝配圖構(gòu)件1葉片構(gòu)件塔架構(gòu)件風(fēng)葉連接件圖2總裝配圖3葉片設(shè)計(jì)及構(gòu)件圖it圖3風(fēng)力發(fā)電機(jī)測試系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率和位移測試系統(tǒng)如圖3所示。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率測試系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)功率采用功率計(jì)測量，負(fù)載為15歐姆。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和葉片對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩密切相關(guān)，其與電流強(qiáng)度、葉片的動(dòng)力扭矩成正比。圖4葉片外輪廓圖圖5葉片分段截面尺寸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕捉風(fēng)能的核心部件，葉片設(shè)計(jì)的好壞直接決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分。根據(jù)競賽中給定的風(fēng)速條件，本風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片應(yīng)設(shè)計(jì)為低速葉片。葉片設(shè)計(jì)需要遵循以下幾個(gè)原則

4、。葉片面積要適中，不能過大和過小，葉片面積過大則各個(gè)葉片相互之間會(huì)有干擾，從而影響葉片對(duì)電機(jī)的扭轉(zhuǎn)力矩；葉片面積過小，則葉片的兜風(fēng)面積過小，每個(gè)葉片對(duì)電機(jī)的扭矩減小。葉片的角度要合理，角度過小，風(fēng)的扭矩不足；角度過大，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，空氣的阻力也較大。根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)的葉片構(gòu)件圖如圖4-5所示，圖4為葉片外輪廓圖，圖5為葉片分段截面尺寸。4塔架設(shè)計(jì)、構(gòu)件圖及主要連接圖4.1發(fā)電塔架設(shè)計(jì)根據(jù)競賽要求，塔架截面為正多邊形。風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的主要受水平風(fēng)荷載作用，如圖6所示。發(fā)電塔結(jié)構(gòu)受力近似為懸臂梁結(jié)構(gòu)，其受力特點(diǎn)如圖7所示。在迎風(fēng)一側(cè)的立柱主要受拉力，在背風(fēng)一側(cè)的立柱主要承受壓力。基丁此，考慮塔架

5、剛度和強(qiáng)度要求，以及風(fēng)的方向，塔架截面設(shè)計(jì)為正三角形。且三角形發(fā)電塔的底邊要和來流風(fēng)荷載的方向垂直，同時(shí)將一根立柱前置，位丁迎風(fēng)向，受拉為主；另外兩根立柱位丁背風(fēng)向，受壓為主。風(fēng)力機(jī)荷載圖6風(fēng)電塔荷載塔架風(fēng)荷載圖7風(fēng)電塔受力特點(diǎn)圖8結(jié)構(gòu)模型圖（立面圖）這樣使得由丁風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用的葉片面積較大，風(fēng)荷載較大,將塔架分為5段，每段160mm。在風(fēng)荷載作用下，由丁風(fēng)輪掃略面上下部位風(fēng)速的不均勻分布、葉輪和電機(jī)的位置輕微偏心而引起的振動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電塔架受扭。應(yīng)增加塔架截面的抗扭剛度以抵抗該扭轉(zhuǎn)力矩，為此將斜腹桿設(shè)計(jì)為交義腹桿，如圖8所示。4.2結(jié)構(gòu)幾何與材料屆性的確定根據(jù)競賽給定的木材規(guī)格，選擇材料其規(guī)

6、格、強(qiáng)度、彈性模量如表1所示其順紋抗拉強(qiáng)度、彈性模量作為模型計(jì)算時(shí)確定材料屆性的依據(jù)。表1材料規(guī)格與參數(shù)材料規(guī)格截面尺寸(mm)”強(qiáng)度(MPa)彈性模量E(MPa)W55150X1,2>2,6>2,6>6301.01044.3塔身構(gòu)件圖根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)的傳遞路徑分析，我們確定了結(jié)構(gòu)各桿件的截面型式與尺寸。結(jié)構(gòu)頂部橫梁采用矩形截面，高6mm，寬2mm。其它橫梁采用T形截面，T形截面翼板寬6mm，腹板高4mm,厚1mm。柱采用正三角形箱型截面，邊長10mm,厚度1mm。考慮柱子受軸力較大，為增加立柱的穩(wěn)定性，在柱子中每隔40mm增設(shè)一橫隔板，橫隔板厚度為1mm。腹桿采用正三角形箱型截面

7、，邊長為5mm,厚度1mm。腹桿采用T形截面，與相同。風(fēng)力發(fā)電塔的頂部正三角形截面邊長為100mm,底部邊長為200mm,其尺寸和構(gòu)件如圖9-10所示。圖9塔架尺寸構(gòu)件形截面8x2構(gòu)件莒T爵模面翼緣賓1腕根鈕I梅件管正三代珊偵1槍竹'正W仙形ml塔架構(gòu)件圖1（迎風(fēng)面）塔架構(gòu)件圖2（背風(fēng)面）圖10塔架構(gòu)件圖4.4主要連接圖頂部橫梁與立柱連接典型結(jié)點(diǎn)詳圖圖11頂部斜腹桿與立柱連接典型結(jié)點(diǎn)詳圖圖12頂部橫梁與立柱連接典型結(jié)點(diǎn)詳圖圖13T形截面斜腹桿交叉連接結(jié)點(diǎn)6x2橫梁j10立柱圖14塔架柱腳安裝連接圖柱子與塔架安裝底板連接如圖14所示，葉片與連接件連接節(jié)點(diǎn)圖15所示木板4inni厚Z廣%-

8、_一-'風(fēng)葉連接件6x2mni木條jr*M4螺栓圖15塔架柱腳安裝連接圖5水平風(fēng)荷載計(jì)算本風(fēng)力發(fā)電塔承受的主要荷載為水平向的風(fēng)荷載。風(fēng)荷載主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)部分是葉片部分的風(fēng)荷載；另外一部分是塔架結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后本風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用三片葉片。每個(gè)葉片的面積約為2800mm2。對(duì)丁葉片，風(fēng)荷載的壓強(qiáng)近似計(jì)算公式為p=l：v22其中，p為風(fēng)壓，單位為N/m2;P為空氣密度，近似取為1.2930kg/m3;v為風(fēng)速，競賽中給定，三級(jí)風(fēng)速分別為4m/s,6.8m/s和9m/s。其中比賽中保證在第二級(jí)風(fēng)速下，發(fā)電塔的剛度要進(jìn)行測量，同時(shí)保證在第三級(jí)風(fēng)速下結(jié)構(gòu)不倒塌。葉片的風(fēng)荷載計(jì)

9、算公式為P=pA1(2)其中，P為葉片風(fēng)荷載，單位為N;A為葉片面積；卜為葉片體型系數(shù)，這里近似取1;E為風(fēng)振系數(shù)，考慮結(jié)構(gòu)剛度較好，風(fēng)速較低，這里近似取1。塔架結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載也可按照公式(2)來計(jì)算，體型系數(shù)N可按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001（2006版）中表7.3.1中項(xiàng)次34塔架類查取。其中風(fēng)向考慮為三角形風(fēng)向。擋風(fēng)系數(shù)。為0.15，查表可得風(fēng)載體型系數(shù)為2.3。塔架的風(fēng)振系數(shù)可近似取為1。6結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)構(gòu)承受豎向重力荷載和水平風(fēng)荷載作用。豎向荷載主要包括發(fā)電機(jī)自重、葉片自重和塔架自重。發(fā)電機(jī)自重為3700g。6.1有限元模型的建立圖16有限元模型斜視圖根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

10、GBJ-135-90,對(duì)丁塔架結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)應(yīng)按作為空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，但由丁本塔架為木結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)處連接主要靠膠水進(jìn)行粘連，按照剛接計(jì)算較為合理。所以本塔架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，采用空間剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。且本結(jié)構(gòu)為空間結(jié)構(gòu)，涉及桿件較多，具有多次超靜定的特性，通過手工計(jì)算難以獲得其準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。為此，我們根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)型式、桿件截面以及材料屆性等設(shè)計(jì)參數(shù)，在大型通用有限元分析程序ANSYS中建立結(jié)構(gòu)的分析模型。分析時(shí)，剛架橫梁、聯(lián)梁、立柱以及斜腹桿采用Beam44梁單元，結(jié)構(gòu)的空間三維有限元模型如圖16所示，6.2分析假定（1）風(fēng)力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)固定丁塔架安裝底板上。發(fā)電塔柱底通過

11、螺栓固定，根據(jù)其約束情況，在結(jié)構(gòu)分析模型中，三個(gè)柱子的柱底節(jié)點(diǎn)約束取為理想皎接約束。（2）所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在彈性范圍內(nèi)工作，即計(jì)算時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)的材料非線性，但為了提高位移計(jì)算結(jié)果的精確性，分析時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性影響，即打開大變形效應(yīng)開關(guān)，將NLGEOM設(shè)為ON。（3）根據(jù)競賽試驗(yàn)要求，所施加的荷載工況為：工況1-在第二級(jí)風(fēng)荷載作用下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形；工況2-在第三級(jí)風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)滿足承載力要求。6.3位移計(jì)算結(jié)果ANSYS9.0A1圖17第二級(jí)風(fēng)荷載作用下的水平向-.D21543-.016756-.011960-Q07i51-.002394.002394,007181,011966,01675

12、6.021543（X向）位移云圖第二級(jí)水平風(fēng)荷載作用下的水平（X向）位移計(jì)算結(jié)果如圖17所示。最大水平（X向）位移發(fā)生丁柱的頂部，最大水平（X向）位移非常小，僅為0.22mm。AKSYS9.0A1-3.509-3,119-Z.1Z9-2.339-1.949-1,559-1.177796S6-.309343圖18第二級(jí)風(fēng)荷載作用下的水平向（Y向）位移云圖第二級(jí)水平風(fēng)荷載作用下作用下的水平（Y向）位移計(jì)算結(jié)果如圖18所示。由丁該方向?yàn)轱L(fēng)荷載的主要作用方向，因此Y向位移比X向位移大，最大位移為3.50mm,同樣發(fā)生丁柱的頂部，可見結(jié)構(gòu)的受力特性接近丁懸臂梁。此外，根據(jù)風(fēng)荷載的方向，將三角形電塔的底邊

13、設(shè)置與來流風(fēng)向垂直，以結(jié)構(gòu)剛度最強(qiáng)方向來抵抗風(fēng)荷載，是非常合理的。7結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算結(jié)果7.1強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在水平第三級(jí)荷載作用下的最大應(yīng)力云圖如圖19所示，其中結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力達(dá)到-12.25MPa,位丁背風(fēng)一側(cè)的柱子底部。最大拉應(yīng)力位丁迎風(fēng)一側(cè)柱子底部，為24.45Mpa。最大應(yīng)力都小丁木材的抗拉強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。32IVMO-4,。94-.0158944.0628.1412Z1816-296Z0.37324-451圖19第三級(jí)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力云圖7.2穩(wěn)定性分析（對(duì)壓彎柱）穩(wěn)定性分析參考鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析原理處理maxMx平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算公式為:二-=maxMx_&=f=30AWX1-0.8NNexbyWyRmyMy平面外穩(wěn)定計(jì)算公式為:-=為也如也_&=f=30A；xW<Wy1-0.8NNExr根據(jù)上述公式，對(duì)受壓狀態(tài)下的各構(gòu)件進(jìn)行了驗(yàn)算，皆