风电机组塔架有限元分析与结构参数多目标优化

【摘要】：随着世界能源和环境问题的日趋严峻，各国对可再生能源的开发和利用变得急切。各种可再生能源中，风能是使用最广泛和发展最快的能源之一。塔架作为风电机组的支撑结构，它的性能直接影响整个机组运行的安全性与可靠性。塔架成本较高，其制造成本占整机成本的15%-20%左右，且在运输和安装费用中也占了相当大的比例。随着风电机组单机容量的增加，塔架高度不断增加，塔架事故不断，成本与性能之间的矛盾日显突出。因此，本文综合考虑塔架的成本和性能，以塔架总质量和顶端偏移为优化目标，开展了风电机组塔架结构参数优化研究，研究结果对减少风电机组成本，发展风电机组关键零部件设计方法，促进我国风电技术发展具有积极意义。论文主要研究内容和结论如下： 风电机组塔架有限元建模与分析。基于叶素动量定理分析了风电机组载荷，建立了塔架有限元模型，对塔架进行了静力分析、模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析，得到了塔架极端载荷下的应力分布情况，获取了塔架的固有频率和随机载荷下的动态响应特性。 风电机组塔架结构参数与应力、顶端偏移和固有频率关系建模。对塔架进行有限元单因子变量仿真实验，得到了塔架单一结构参数与应力、顶端偏移和固有频率的关联特性。采用正交实验设计与随机组合相结合的混合实验设计方法，确定塔架结构参数组合，获取了不同结构参数组合下塔架的应力、顶端偏移和固有频率特性。分别采用支持向量机和BP神经网络方法，构建了塔架结构参数与应力、顶端偏移和固有频率的替代模型。 风电机组塔架结构参数多目标优化。综合考虑塔架的成本和性能，以塔架总质量和顶端偏移为目标，最大应力、固有频率和变量范围为约束，建立了塔架结构参数多目标优化模型。引入NSGA-II算法，进行了结构参数多目标优化求解。优化结果表明：优化后的塔架质量减少7.3%，成本得到降低，最大应力减小，固有频率增加，性能有所提高。 风电机组塔架实验研究。开展了2MW风电机组塔架振动测试试验研究，分析风电机组SCADA系统中的风速、轮毂转速和塔架振动加速度数据，得到了风速、转速与塔架振动的关系。将数据分析结果与有限元分析结果进行比较，验证了塔架有限元模型是正确的。对某2kW风力机塔架进行应力测试试验研究，将塔架有限元模型应用于风轮推力反求，得到了风速与风轮推力和推力系数的关系，扩展了塔架有限元模型的应用场合。 【关键词】：风电机组塔架 有限元分析 参数优化 关系模型 NSGA-II算法
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 研究背景与意义10-16
• 1.2 国内外研究现状16-18
• 1.3 本文主要研究内容18-20
• 第二章 风电机组塔架有限元建模型与分析20-34
• 2.1 风电机组载荷分析20-23
• 2.2 塔架有限元模型23-25
• 2.3 塔架有限元静力分析25-26
• 2.4 塔架动力学分析26-33
• 2.4.1 塔架模态分析26-27
• 2.4.2 塔架谐响应分析27-29
• 2.4.3 塔架瞬态动力学分析29-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 塔架结构参数与应力、顶端偏移和固有频率关系建模34-49
• 3.1 关联特性分析35-37
• 3.1.1 塔架结构参数与应力关联特性35-36
• 3.1.2 塔架结构参数与顶端偏移关联特性36
• 3.1.3 塔架结构参数与固有频率关联特性36-37
• 3.2 样本数据获取37-41
• 3.3 关系模型构建41-46
• 3.3.1 基于支持向量机的关系模型构建42-45
• 3.3.2 基于 BP 神经网络的关系模型构建45-46
• 3.4 关系模型效果评价46-48
• 3.5 本章小节48-49
• 第四章 塔架结构参数多目标优化49-59
• 4.1 多目标优化数学模型49-50
• 4.2 多目标优化求解50-53
• 4.2.1 NSGA-II 算法简介50-52
• 4.2.2 优化结果52-53
• 4.3 优化结果分析53-58
• 4.3.1 优化前后结果对比53-55
• 4.3.2 疲劳寿命校核55-57
• 4.3.3 稳定性校核57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 风电机组塔架实验研究59-71
• 5.1 基于 SCADA 系统的塔架振动测试59-64
• 5.1.1 振动测试数据采集59-60
• 5.1.2 振动测试数据分析60-63
• 5.1.3 数据分析结果与有限元结果对比63-64
• 5.2 2kW 风力机塔架应力测试64-69
• 5.2.1 塔架应力测试实验平台64-65
• 5.2.2 应变信号采集系统65-66
• 5.2.3 2kw 风力机塔架有限元模型修正66-67
• 5.2.4 应力测试与数据分析67-68
• 5.2.5 2kW 风力机推力和推力系数反求68-69
• 5.3 本章小结69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 论文总结71-72
• 6.2 研究展望72-73
• 参考文献73-76
• 致谢76-77
• 附录：攻读硕士学位期间主要研究成果77

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

高海拔地区机械化组塔施工技术    韩慧;徐聚科;

预应力风电机组基础与风电机组塔架连接分析    孙羽;李昂;

电力线路人力组塔工艺的改进    刘波;郭永超;孙士杰;

刚化反转法在风电机组塔架门设计上的应用    韩军杰;胥勇;

风电机组塔架的脉动风速时程模拟    叶赟;宫兆宇;

极端服役环境下的风电机组塔架结构参数优化研究    戴巨川;刘旋;杨书仪;文泽军;沈祥兵;

适用于特殊风区的风电机组塔架的再设计    谢建华;崔新维;岳勇;马卫彬;

提高单扒杆组塔的安全可靠性    司振勇;罗定武;曹志全;

风电机组塔架高强度螺栓的质量控制研究    王淼;徐占;姚亮;崔立川;

国内首条220kV同塔六回线路组塔    

风电机组塔架高强螺栓应用中存在问题的分析    史文超;丁宝平;程茜;钮永田;金阿宝;

66千伏九红线改造组塔完工    特约记者 李成宴

雨中山路难行 组塔施工创新    本报记者 孔雷 通讯员 王健 洪瑜阳

高原组塔,演绎创造性力量    本报记者 刘文硕　郑永生 通讯员 郭立秋

兰新铁路牵引站送电工程开始组塔    杨旭　孙雄飞

组塔,在海拔4600米!    本报记者 刘文硕　郑永生 通讯员 郭立秋

展翅高原“电力天路”飞机组塔    方冠军　赵淑伟 张家广 张满定

锦苏特高压直流工程全线开始组塔    寻凯　邱国斌

国内首条220千伏同塔六回线路开始组塔    罗晓东林丽萍

宁东直流工程山东段开始组塔    记者 高立联　通讯员 葛绪磊

青藏联网第二阶段战役打响    通讯员 张满定

风电机组塔架优化设计系统开发研究    刘晓姣

基于MSC.Patran的风电机组塔架参数化有限元分析系统研究    白宁

大兆瓦风电机组塔架的有限元分析与优化设计    顾岳飞

风电机组塔架有限元分析与结构参数多目标优化    刘旋

大型风力机组塔架静动态有限元分析    崔阳