风力发电机组塔架的仿竹结构设计_魏泰.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 4 9-0 6风力发电机组塔架的仿竹结构设计魏 泰*1,董付刚2(1.甘肃省特种设备检验检测研究院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0;2.兰州理工大学 机电工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要:针对风力发电机组塔架高耸结构稳定性问题,结合仿生结构设计理论,将竹子纤维束引入塔架结构,研究通过仿竹结构设计提高塔架稳定性的方法.以2MW风力发电机组塔架为研究对象,采用层次分析法对竹子与塔架的相似度进行计算,验证生物选型的合理性.通过研究竹子纤维束特征与竹身稳定性的关系,设计出具有4根加劲肋的仿竹塔架.应用有限元数值分析方法对仿竹塔架和原型塔架的静态和动态效能进行分析,结果表明:仿竹塔架的塔顶位移和最大应力相较原型塔架分别降低了2.2 7%和1 3.4 8%,仿竹塔架前两阶固有频率相较原型塔架提升了1.3 1%和1.5 8%,仿竹塔架结构整体稳定性提升了1.4%.验证2MW风力发电机组塔架仿竹设计的可行性可为后续塔架结构设计提供新的方法.关键词:仿生;结构设计;竹子;塔架;加劲肋中图分类号:T K 8 3;TH 1 2 2 文献标志码:AB i o n i c sd e s i g no fw i n dt u r b i n e t o w e rb a s e do nb a m b o os t r u c t u r eWE IT a i1,D ONGF u-g a n g2(1.G a n s uP r o v i n c eS p e c i a lE q u i p m e n t I n s p e c t i o na n dT e s t i n g I n s t i t u t e,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a;2.S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i-n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:T oa d d r e s s t h es t a b i l i t yp r o b l e mo f t h e t o w e r i n gs t r u c t u r eo fw i n dt u r b i n et o w e r,t h eb a m b o ov a s c u l a rb u n d l e sw e r e i n t r o d u c e d i n t ot h e t o w e rs t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h eb i o n i cs t r u c t u r ed e s i g nt h e o r y.T h em e t h o do f i m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo f t h et o w e r i ss t u d i e dt h r o u g ht h ed e s i g no fab a m b o os t r u c t u r e.T a k i n gt h e2MW w i n dt u r b i n e t o w e ra s t h eo b j e c to f s t u d y,t h eA n a l y t i cH i e r a r c h yP r o c e d u r e(AH P)i sa p p l i e dt oc a l c u l a t e t h e s i m i l a r i t yb e t w e e n t h eb a m b o oa n d t h e t o w e r t ov e r i f y t h e r a t i o n a l i t yo f t h eb i o l o g i-c a l s e l e c t i o n.B ys t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a m b o ov a s c u l a rb u n d l e sa n dt h es t a b i l i t yo f t h eb a m b o o,ab i o n i cb a m b o o t o w e rw i t h f o u r s t i f f e n i n g r i b sw a sd e s i g n e d.F i n i t e e l e m e n t a n a l-y s i s i se m p l o y e dt oc o m p a r a t i v e l y i n v e s t i g a t e t h ep e r f o r m a n c eo f t h eb i o n i cb a m b o ot o w e ra n dt h eo r i g i n a lt o w e r i nt h e s t a t i c a n dd y n a m i c.T h r o u g ht h e i n v e s t i g a t i o n,i t i s s u g g e s t e d t h a t t h em a x i m u md e f o r m a t i o na n dm a x i m u ms t r e s sc a nb e r e d u c e db y2.2 7%a n d1 3.4 8%o f t h eb i o n i cb a m b o o t o w e r,r e s p e c t i v e l y.T h i sa p p r o a c hr e s u l t s i n1.3 1%a n d1.5 8%i n c r e a s e r e s p e c t i v e l y i nt h e f i r s t a n ds e c o n dn a t u r a l f r e q u e n c i e s.M o-r e o v e r,t h eo v e r a l l s t a b i l i t yo f t h eb i o n i cb a m b o ot o w e rs t r u c t u r e i s i m p r o v e db y1.4%.T h ef e a s i b i l i t yo ft h eb i o n i cd e s i g no f 2 MW w i n dt u r b i n e t o w e r s i sv e r i f i e dh e r e,a n dan e wm e t h o d f o r t h ed e s i g no f s u b s e-q u e n t t o w e rs t r u c t u r e s i sp r o v i d e d.K e yw o r d s:b i o n i c;s t r u c t u r ed e s i g n;b a m b o o;w i n dt u r b i n e t o w e r;r e i n f o r c e m e n t r i b s 风力发电机组塔架为高耸薄壁结构,是风轮的主要支撑部件,其结构稳定性直接影响风力发电机组的发电效能1.风轮为捕获更多风能资源,要求塔架高度不断增加,因而高耸化成为塔架发展的趋势,收稿日期:2 0 2 1-0 4-2 0 通讯作者:魏 泰(1 9 8 3-),男,甘肃庆阳人,高级工程师.E m a i l:w e i t a i 0 9 3 11 6 3.c o m这将导致塔架在极端工况下面临的稳定性问题更为突出2.而同为高耸薄壁结构的竹子在复杂的载荷作用下不易发生失稳破坏3.为提高塔架结构稳定性,可以对其进行仿竹结构设计,实现最佳风力发电机组载荷配置.近年来仿生结构的研究为塔架结构设计提供了新方法4-5.Z o u等6从竹子几何结构出发,提出薄第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3壁圆管的仿竹设计方法.Z h a o等7将竹子的竹节应用至机床立柱结构,并制作缩尺寸模型进行静态和动态实验,研究表明仿竹立柱结构最大静位移减小了4 5.9%,前两阶固有频率相较原型立柱有所增加.孙瑞等8基于对棕榈植物的结构探究,对1.5 MW风力发电机组塔架进行仿竹设计,采用数值分析方法对仿生塔架和原型塔架进行对比分析,结果表明仿生塔架塔顶位移相较原型塔架下降了6 8%.此外,刘旺玉等9对1.5MW风力发电机组塔架有关仿棕榈植物的研究也证明了风力发电机塔架仿竹设计的可行性.因为塔架具有高耸薄壁和载荷不确定的特点,所以破坏原因多为屈曲破坏导致的结构不稳定1 0.而竹子中纤维束结构不仅具有提高承载能力的作用,还具有提高轴向强度的作用1 1-1 2.在竹子纤维束仿生结构设计方面,P a l o m b i n i等1 3将单个纤维束作为加劲肋应用至薄壁结构,并分析了3种不同形状的加劲肋对仿竹结构的影响.M a等1 4借鉴纤维束结构对薄壁结构进行仿竹设计,仿竹结构稳定性提高了1 2 4.8%.本文提出基于竹子纤维束特征的仿竹塔架结构设计方法.以2MW风力发电机组锥筒型塔架为研究对象,建立仿竹塔架仿真模型,采用有限元数值分析方法,分析仿竹塔架的静态和动态性能.1 竹子的特征分析1.1 竹子结构从宏观来看,竹子的竹竿结构由实心竹节和空心竹茎组成.从微观来看,纤维束结构在竹茎中呈梯度分布,具有提升竹茎刚度的作用1 5.此外,竹子收缩量小,而弹性和韧性却很高,顺纹抗拉强度达1 7 0MP a,顺纹抗压强度达8 0MP a,细长比可达1/1 5 01/5 0,密度却只有1.2g/c m31 6.1.2 层次分析法本文选用层次分析法计算竹子与塔架的相似度,验证生物选型的合理性.层次分析法是将定量分析与定性分析相结合的多目标决策分析方法,结合数学处理与人的经验和主观判断,分析出目标准则体系层次间的非序列关系.根据目标构建评价因素集U=1,2,n,判断矩阵为A=(i j)nn=1 11 21n2 12 22nn1n2n n(1)式中:i j(i=1,2,n;j=1,2,n)为因素i与因素j重要性比较结果;n为矩阵A的阶数.为保证判断结果的准确性,需对判断矩阵进行一致性检验.一致性指标为C.I.=m a x-nn-1(2)式中:m a x为判断矩阵最大特征值.则C.R.=C.I.R.I.0.1(3)式中:C.R.为随机一致性比率;R.I.为平均随机一致性指标.1.3 相似性分析相似是仿生的基础,生物机体与工程原型在结构、功能、载荷和约束方面的关系是仿生的关键.因此,有必要对竹子和塔架进行相似性分析来验证生物选型的合理性.相似性大小通过相似度Q可表示为Q=1qu1()+2qu2()+nqun()=ni=1iqui()(4)式中:i为权重系数;q(u)为相似元相似度.通过层次分析法建立竹子和塔架的评价因素集U=结构,功能,载荷,约束,将上述两者的因素两两比较,构建判断矩阵A为=132313112112212131121 经检验,判断矩阵的随机一致性指标C.R.=0.0 5 370