基于频域分析垂直轴风力发电机组旋转主轴的风致动力疲劳.pdf

振动与冲击 VIBRATIONANDSHOCK 第28卷第7期 JOURNAl。OF V01．28No．72(，09 基于频域分析垂直轴风力发电机组旋转主轴的风致动力疲劳 李春祥1，胡文悌2，代泽兵3，卞祥1 (1．上海大学土木工程系，上海200072；2．河南新乡天丰钢板开发有限公司； 3．国网北京电力建设研究院，北京100055) wind turbine，VAV【，1．)主 摘 要：使用ANSYS有限元软件研究在风荷载作用下垂直轴风力发电机组(Vertical．axis 轴在旋转状态下的风致动力疲劳问题。首先，在频域内，研究在脉动风作用下机组旋转主轴(转速为15．5m／s)个关键 位置处的风动力响应特性。然后，基于机组旋转主轴风动力响应的计算与分析，对机组旋转主轴进行风致动力疲劳分析， 计算其疲劳寿命耗用系数，以评价该机组旋转主轴的丁．作状况。 关键词：旋转；垂直轴风力发电机组；动力响应；ANSYS软件；疲劳寿命；风荷载 中图分类号：TK83 文献标识码：A 在结构所遭受的各种荷载中，有强度随时间变化 1 基于ANSYS分析机组旋转主轴的风致动力 的地震作用、脉动风荷载，海浪冲击荷载等。这些荷载 响应 不仅表现出随时间不断变化，而且最主要的是在不同 时间出现的两次荷载不会重现同一波形。这种非重现 谱是谱值与频率的关系曲线，它反映了时间一历 性的荷载，称为随机荷载；在随机荷载作用下结构的振 程载荷的强度和频率信息。ANSYS的谱分析有三种类 动称为随机振动¨．2J。脉动风可假设由许多不同频率 型：响应谱分析、动力设计分析方法、功率谱密度。其 的简谐波叠加组合而成，其总能量由多个组成波而产 中功率谱密度谱是一种概率统计方法，是对随机变量 生。脉动风的能量相对于组成波频率的分布便构成脉 均方值的量度。一般用于随机振动分析，连续瞬态响 动风这一随机过程的频域特征，而且频域特征通常用 应只能通过概率分布函数进行描述，即出现某水平响 谱来表示。随机过程由时域向频域的变换称为随机过 应所对应的概率。功率谱密度是在随机载荷作用下结 程的谱分析旧J。本文将进行在风荷载作用下垂直轴 构响应的统计结果，是一条功率谱密度值一频率值的 [当前机组主轴高为134．47m，由变截面钢管组成，底 关系曲线。功率谱密度可以是位移功率谱密度、速度 部半径为1．5m，壁厚为10mm，顶部为0．75m，壁厚 功率谱密度、加速度功率谱密度、力功率谱密度等。机 为14mm。机组主轴壁厚变化模式：从底部至主轴 组主轴为单筒式桅杆结构，与发电机基础相连。在作 38．66 m 边界条件处理时，约束其在x、y、z向的平动，作同定约 m处，轴壁厚度为10mm；从38．66m至54．66 处。轴壁厚度从10mm渐变为14mm，从54．66m至顶端 束(由于机组主轴与基础铰接)。顶部由于拉索产生的 134．47 约束，即限制y、Z向的运动，所以约束x、y向坐标的 m处，轴壁厚度为14mm。]风力发电机组旋转 运动。机组主轴的制造材料为钢材，其密度为 主轴的动力疲劳分析。垂直轴风力发电机组旋转主轴 7800 示意图如图1所示。 本文对机组旋转主轴采用SOLID45单元进行实体建