第一章概述
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1风电行业发展现状
世界各地的风能资源是可再生的，每年的产量也很多。由于风速是非常随机的，因此必须要通过长期的观测才能知道风速的资源潜力。此外，因为某些方面例如观测技术的限制，无法在极其准确的范围内精准估量地球所潜在风力资源。因而在技术方面，还是留有很多发挥的空间。也正逐渐地引领我们去发掘。的根据气象局估计的报告显示，水资源也仅仅是风能资源的十分之一，如果根据平均6.9米/秒的风速计算的话，全球的可用风能资源大概是72万亿千瓦时。大约在2020年之前，只要能开发出三分之一的风能资源即可满足世界的生活需要[1]。风电行业发展的步伐飞快。全球风电29％的增长率维持了将近十年。全球的风电装机在2016年年底之前已经达到了94000MW。从一些国家调查的装机数据显示，德国，X和葡萄牙的数量位列前三。德国24.7％，X18.6％，葡萄牙15.2％。到2008年底，装机容量超过2000MW的国家就已经有十个了。表一是全球装机数量前十的国家名单。
表1 2016年装机容量前十的国家
国家MW％
德国22247 24.7
X16818 18.6
葡萄牙15145 15.2
印度8000 8.5
中国6050 6.4
丹麦3125 3.3
意大利2726 2.9
英国2454 2.6
其他13019 13.8
我国对于风力发电的规模有着很长远的计划。根据国家现有的风力发电规模，我国将在2020年实现风力发电规模规模的扩大化，即实现在2020年达到总体装机容量达到3000万千瓦。纵观国家总体情况，实际不容乐观。据调查，2015年，我国的风力发发电能源的总体装机容量还不足130万千瓦。相较于西方国家还具有很大差距。基本占据全世界总体风力发电装机容量的0.17％。这是具有很大差距的。因此，对于未来中国的风力发电能源的开发，还有很多路要去涉足和探索。这是一条极其漫长的道路，却足以改变一个国家的命运。路虽长，但还是要走。
1.1.2风力机简介
风车/风力机(wind machine)是一种将风能转变成成机械能的装置。风力机由来已久，其发展也经历过岁月的打磨，因此具有很长的发展时间和历史。风力机总共包含有两种机型，分别是垂直轴风力发电机和螺水平轴风力发电机这两种，如图1-1，1-2所示。风力机的主要构造包括机舱，叶片。底座和塔筒，这些构造组成了风力发电机的主体，也十分具有实用效用。大型风力机的塔筒呈圆锥形，下面直径大，上面直径小。风力发电机的使用原理和他的构造不无关系，叶片的作用也因此而发挥出来，当叶片受到来自于风的作用从而发生力矩，叶片转动起来，这种操作可以使风能转化为机械能，然后再经过发电机和变频器等组合为整体系统发电，最后一步便能够将机械能转化为电能。
图1-1水平轴风力机
图1-2垂直轴风力机
1.1.3风力机塔架简介
风力机的主要受力部件是塔架，如图1-3所示。它要承受风力机叶片的重量，已经叶片转动的时候的扭矩，此外还会受到平行风的风载荷。这也就可以很好的解释了为什么整个风力机塔架在总体设计上所呈现的下大上小的现象。陆地上的风力机塔架所经受的交变载荷主要是来自于风直接工作在塔架上的气动载荷产生的，风对风轮产生作用，然后将其传送到塔架的载荷和风轮工作进程中产生的震动。因此有限元已经成为搭架设计的必要工具。早期设计的风力机对疲劳重视不够，导致了疲劳失效频发如图1-4所示，因此为了长远的考虑，在为了确保其整体质量和水平的基础上，现如今的大型风力发电机组常常运用锥形塔筒来进行发电装置的组合，这样能够确保发电机组整体的完整性和总体发电的强度。在保证质量的同时，也注重了其整体的实用性和整体观感。这样不仅有利于发电的完美运作，还做到了普通运输的方便。这样的改变是十分具有意义和可持续性。现代基本所有的大型风力发电机组都普遍采用锥筒式的方法进行搭架。这类方式的搭架通常由若干段不等长度的锥筒用法兰接连形成，搭架由下向上逐渐变小，展示出整体的圆台形结构。这类变截面增强厚度的结构模式让不同段的惯性矩以及线品质和抗弯强度等基本参数都不再一样。因此，搭架的有限元分析建模很复杂。
图1-3风力机塔筒
图1-4风力机事故
1.2风力机塔架疲劳寿命分析的意义
风力机塔架作为整个风力发电机组系统的最关键部件，在技术方面有一定的难点和重点，这是不能忽视的。能够保证风力机正常平稳运行主要的决定性因素是靠它的质量。风力机因为它的工作的条件比较苛刻，而且还要保证它的正常使用寿命在20年，因此，其需要塔架需要满足下列条件：很高的疲劳强度以及优良的使用性能，能够承受得住随机载荷和暴风这些非常极端恶劣因素的测验。塔架在原来规定的外部基础条件上，设计能够在稳定的支撑风轮和机舱（包括发电机和传动系统）工作的载荷情况下，这样能够最大程度上保证风力发电机组正常安全的运行机制。其次我们可以通过对计算的分析研究或者是实验对确定塔架的固定频率和阻尼特质，从而对塔架运行风轮旋转造成的震动，或者是风引起的顺风和横风向振动进行计算结果分析统计，让其能够在规定的设计状况下满足运行的稳定性和变性的限制条件。最后通过对塔架的基本设计，材料的选择和防护措施应对能够很大程度上缩小它的外部因素对塔架安全性和完全性的限制。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外研究风力机塔架的现状
西方国家在风力机技术的开发和使用中研发比较早，诸如X、德国等国家，他们长期在技术上处于遥遥领先的地位，在对于塔架疲劳的有关问题上的分析也实行了大量的信息探讨。
IEC61400-13是IEC系列条件中触及风力发电的载荷检测部分标准，主要是在对于水平轴大型风力发电的规范性描述分析。这个标准为我们提供了风力机载荷监测的相关方法和技术条件，能够作为检测指南进程考证或直接确定它的结构载荷。
考虑到了结合非周期载荷和随机载荷的组合，使用功率谱来表述疲劳载荷。文献主要考虑确定性载荷，使用简单的方式计算气动力，重力和陀螺力。用时域方式来处理随机疲劳载荷问题。塔架的疲劳载荷谱可以由计算得出，也可以由测验方式得出。如国外的Wisper载荷谱，是在模拟分析塔架的应力载荷，衡量了欧洲9个不同种类风力机载荷基础上得出的。该谱现在已经用于风力机塔架材料和结构的细节评估上，疲劳寿命的预估分析。是对恶劣条件下风力机行为和载荷的研究分析，其中主要评估了塔架底端主要区域的应力分析统计，并对它的周期性载荷变量实行研究。利用Sway Company提供的寿命评估程序Simapro，模拟风力机系统。
现今为止，针对风力机疲劳分析统计已经实行了大量的研究分析，但在相关复合材料的应力损坏并不常见，而且它的技术也不算成熟。例如Taleja的食量损伤模拟[3]。指出Miner线性累积损伤法则适用于金属疲劳失效模型。尽管如此，大多数文献任然采用Miner线性累积损伤法进行寿命预测。
1.3.2国内研究风力机塔架的现状
纵观我国总体情况和基本国情，对于风力发电的研究，我国的总体研究的起步是出于比较微弱的状态，即起步和发展相对较晚，也对于此方面没有太多丰富的经验和具体的实践。因此，我国的风力发电装置的寿命也相对较短，基本没有能够超过20年的大型风力发电机组。这和我国具体实践的缺失不无关系。实践数据的缺少，才致使我国对于发电机组寿命的提高一直没有可观的进展，因此才产生了一些技术上难以攻克的难关。困难是固定存在的，同时也是无可避免的。技术和实践数据的缺失造成了我国至今没有研究出大型的风力机塔架的实际测验疲劳载荷谱。但是如果能够依据给定的情况便可以很容易的推测出疲劳载荷普，这种方式的操作实际上是相对简单易懂的。
在对风力机塔架使用的玻璃钢材料的疲劳特性上实行了研究分析，使用典范推选的简化疲劳载荷谱，使用了Apple和Besquin两种S-N关系式曲线分析了叶片上存在的疲劳状况，并经过研究分析指出，因为Apple公式在材料的长寿命区域递减性很大，而材料的疲劳强度较低，不适合塔架高循环次数低于应力载荷谱的特性，而典范推荐的Besquin所应用的S-N曲线是比较合理的。
在利用ANSYS有限元解析软件的基础上，对2MW的复合材料风力机塔架结构实行有限元建模，以及静力学分析和模态分析[4]。主要从风力机的疲劳载荷寿命条件出发对风力机疲劳问题实行了研究分析。确立了风力机疲劳分析的基本方法和步骤，之后由疲劳载荷谱计算得出塔架的疲劳寿命。在DASP软件的疲劳分析方法基础上，主要应用复合材料应力循环特质对结构承受的交变载荷实行统计结果分析，之后进行破损度的计算寿命预估。
1.4本论文所做的工作
风力机搭架疲劳寿命分析可通过疲劳试验和疲劳计算两种方法，疲劳试验的方法在风力机搭架的国家标准做出明确的规定，因为疲劳试验须要对全部尺寸的风力机搭架实行程序普或者是幅谱载荷的加载实验，运行结束之后，需要对试件实行分解检查和端口分析，但是因为受到诸多实验条件的限制，不能正常进行。本论文选取计算方法进行搭架疲劳分析。
第二章风力发电机组结构及其分析理论
2.1风力发电机组的结构及其关键部件
细数风力发电机组的种类，可谓是品种繁多，各式各样，难以一一叙述清楚。但由于风力发电机组主要是凭借将大自然的风能转变为机械能，其最主要的能源来源是因为受到了因风力的作用而带动的发电机组的风轮的因素，在高速旋转下而产生相应的能源反馈，到达发电的效果。因此，在风轮方面，风力机可以凭借风轮的基本构造模式和风轮所处的地理位置所能收到的气流影响而可以分为两种类型，分别是垂直轴风力机和水平轴发电机。而本次课题讨论的重点便是水平轴发电机。水平轴风力机的外形如图2-1所示，风轮绕着一个水平轴旋转，运行的时候，风轮的旋转平面和风向是垂直的。风轮上的风片是径向安装的，和旋转轴互相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度φ(安装角)。风轮叶片的数量，主看风力机的用途来确定。用于风力发电的风力机一般叶片数需要1～4(大多为2片或3片)，叶片数使用少的风力机平常称为高速风力机，是因为它在高速工作时有比较高的风能利用系数，但是它的起动风速很高。因为它的叶片数较少，在输出功率同等的条件下比低速风轮要轻很多，因此比较适用于发电。
水平轴的风力机主要是由以下几部分组成：风轮、传动机构(增速箱)、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等。其结构图见2-2。风轮叶片装在轮毂上被称为风轮，它包含叶片、轮毂等。风轮作为风力发电机接收风能的主要部件部件。现今的风力发电机的叶片数，通常为1～4枚叶片，经常用的是2枚到3枚叶片。因为叶片是风力发电机接收风能的主要部件，因此叶片的扭曲、翼型的各类参数和叶片结构都可能会直接影响叶片接收风能的效率和叶片的使用寿命。叶片顶端在风轮转动中所形成圆的直径称风轮直径，也称为叶片直径。
现如今的中国，已经在新能源的开发利用上取得了突出的成果和发展，在清洁能源的产业化方面也取得了突出了成就和可观的未来前景。不论是太阳能光伏的发展还是其他清洁能源的开发利用方面，都已经具有了初步规模。且一部分的能源产业也实现了商业化。但纵观全世界，在发达国家面前，我们的能源产业毕竟还只是处于起步阶段，与其他发达国家相比，差距还是相当明显的。这一点所展现的方面可能也不止一点两点。在整体的规模，技术，发展水平方面，或是开发能源的基本数据实践和速度上都有着或多或少的距离。在新能源异军突起的现代中国，各大商业企业应该秉持着一种发展的信念，为中国能源的未来做出自己的一份贡献。特别是风力发展并不特别完善的时期，风电企业就更应该积极研发出具有创新实效和具有完全自主知识产权的新一代风力发电机组，在各个方面诸如设计理念，寿命延长和基本技术方面达到应有水平和效果。只有一直秉承发展信念，才能够为我国逐渐发展的风电系统提供可靠的技术支持和可靠援助。并开发出成本低的新型风力发电大容量机组，为我国风力发电的前景做足准备和支持。这些，是每个新能源企业义不容辞的责任。
本文分析的关键部件——塔架一般为圆形筒塔架，用于支撑整个风机上部及其他辅助功能。塔架内部装有爬梯和安全绳以及工作平台，控制系统放在塔架内部的平台上。目前风力发电技术的一个显著趋势是塔架高度的增加，这样可以提高风能的利用率。据有关资料显示，从80年代初到1994年，塔架平均高度由18M增加到35M，到90年代末已达到40M。而近年来各国新研发的风机，塔架高度都显著增加，最高已达到100M左右。随着塔架高度的升高，在对塔架的结构特性和力学特性的设计中对整个风力机的过程尤为重要。
2.2有限单元法理论
2.2.1有限元法简介
1.有限单元法基本思想及其发展史
有限元法(Finite Element Method.FEM)，也称为有限元法（FEM）或有限元法（FEM）是一种数值方法的结构分析。矩阵法在结构力学和弹性力学中的发展与应用。基本的想法是，弹性连续介质有限元，他们互相连接在一个有限数量的节点，在一定的精度，为每个单元与有限的参数来描述的力学性能和连续介质力学性能可以被认为是一个小笔这些机械性能，从而建立一个平衡连续性方程。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法[5]。
2．国内外有限元分析发展现状
采用有限元分析方法和计算机硬件和软件的发展，有限元分析软件与CAD系统的集成逐渐成熟，有限元分析方法已被广泛应用于许多领域的科学和工程研究。1943柯朗首先提出一个原始的全断面连续离散化的概念（离散）分成若干分段连续的单元，并首次尝试分段连续函数和三角形单元的组合应用的最小势能原理求解扭转问题。1956、m.j.turner和r.wclough等人的应力和变形分析结构的直接刚度法，数字计算机的应用给解决压力问题第一时间是通过复杂的平面三角形单元计算。1960，R.W.Clough提出了“有限元”的第一次。有限元法作为一种数值分析方法，在工程技术领域得到了广泛的应用。1965、o.c.zienkiewicz等人提出了一种可应用于所有领域的问题可以在变分法的形式计算的有限元法。从1968年初开始，大量的数学文献的有限元方法已经公布，有限单元法的基本理论是近似理论，是一种结合偏微分方程和变分和功能分析，并致力于多种细胞类型，收敛速度和稳定性的估计误差的离散[6]。
3.有限元方法典型分析步骤
有限元分析的主要步骤是：
离散化的连续是一个给定的物理系统划分成等效有限元系统。必须确定单元的类型、数量、大小和排列，以便合理和有效地表示给定的物理系统。位移模型假定的位移函数或模型只近似表示真实位移分布。在实践中，没有多项式可以完全相同的实际位移。用户必须做的是选择多项式的顺序，以便它可以实现足够的精度，在计算时间是可用的[7]。
利用变分原理导出单元刚度矩阵，用单元刚度矩阵将节点位移与节点力联系起来。将物体的分布力转化为节点处的等效集中力。整个离散连续的代数方程组的收集，即，每个元素的刚度矩阵被纳入整个连续的刚度矩阵，和每个元素的节点力矢量被纳入总的力和负载向量。
在实际工作中，上述有限元分析只是计算机软件处理的一个步骤（有限元程序）。为了完成工程分析，需要更多的预处理和后处理。通过以上分析可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，划分为单元分析，并对整体结构进行综合分析。
2.3有限元分析软件ANSYS
2.3.1 ANSYS软件的基本组成、功能
本文所采用的ANSYS软件是XANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件。能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等学科的研究[8]。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广
泛的应用[9]。
在世界各行各业中，ANSYS得到了广泛的应用并取得了成功。这些年，它一直排在有限元分析（FEA）排名第一的软件，它是通过IS09001质量第一认证的分析设计软件，也可通过X机械工程师协会（ASME）和X核安全局（NQA）标准分析，首次在中国压力容器标准化认证委员会获xxxx17部委批准[10]。
预处理模块提供了强大的实体建模和网格工具，参数设置功能和CAD软件无缝集成能力。该软件提供了超过100种类型的单位来模拟每个项目结构与材料。在几何建模中，ANSYS不仅具有点、线、面、体依次生成的顺序而生成几何模型的自顶向下的建模方式，还具有通过调用几何体素和采用布尔运算而生成几何模型的自顶向下的建模方式[11]。
2.3.2 ANSYS软件在风力发电机组中的应用
本文利用ANSYS软件对风力机关键部件的静应力进行了分析，并采用结构静力分析方法解决了外部荷载引起的位移、应力、应变等。静态分析是完美的
惯性和阻尼问题不明显。ANSYS程序的静力分析不仅可以分析线性、非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变和接触分析。
第三章风力机塔架的静应力分析
3.1引言
对于工程结构而言，我们经常使用结构分析方法中的结构静力来对其进行分析。这种结构形式和材料是各种各样的，种类繁多，它具有和其他机器不一样的设计标准和设计理念，但是对于其内在的设计过程，还有分类分析是相同的。对于分析结构的内力还有结构，它的与线弹性分析是我们不容忽视的一个非线性特质，之后再依照内力对它的结构设计还有静力强度进行分析是一种普遍的应用，是在其他类型的结构设计基础上的分析[11]。
塔架作为风力机的重要链接设备，因此，我们需要计算出塔架应力变形的足够强度和刚度来预防危险，以次保证机器在不同风荷载下的正常运转。根据结构和大型风力机的力学特性，建立了横向钢管塔的计算模型。基于结构动力学原理，利用ANSYS有限元软件ANSYS，分析了叶片上部水平位移、不同风速下的静强度和风机塔架的静强度变化对叶片静强度的影响。
3.2水平轴风力机机理
自然风通过其顶部叶轮为其提供动力，以此使水平轴风力涡轮机运转。当风通过叶轮时，风速下降，一些能量传递给风力涡轮机。风是大气运动的产物，他主要以动能的形式表现出来，大气动能可以表示为：
式中：为大气通过叶轮的动能；
w代表在尾流远端的情形；
m为通过叶轮的大气质量；
V为大气通过叶轮的速度。
如图2.1所示，当水平轴风力发电机组受风时叶轮运转状况，大气质量主要是叶片产生的包含叶轮受风面积的数量。因而，在空气密度为ρ，一定时间经过叶轮受风面积的大气质量m可以表示为：
式中：A为叶轮受风面积。
依照式(2.1)和式(2.2)可以得到风力发电机组受风面积的大气动能：
从公式（2.3）可以推出，风的运转能量与运行风速的三平方为正比。因此，风力涡轮机是风力涡轮机的一个重要因素。风机是风区的代表，风力涡轮机可以通过风能获得能量，但需思考效率（能量转换率）。风力涡轮机的功率，那么，应该是风力涡轮机的顶级和高效率的产品[12]。
3.3塔架的理论计算
3.3.1塔架的力学模型
现今大型的风力机是以锥高耸钢结构为主的，依照力学特质的几何特征能够总结为一套弯曲变形、轴向压缩变形与繁琐的梁来整合问题的变形。发动机室、轮毂和叶片的重量是安装在塔的顶部，同时考虑从塔中心的集中力的弯矩。
3.3.2塔架的载荷简化
依照其运行的基本原理，塔架的运转，需要承受的主要载荷有：
1.水平轴向推力
式中为空气密度，；
为叶轮半径，；
为风力机的额定风速，；
为风力机推力系数。
2.沿塔架高度方向集中压力
式中为叶轮质量，；
为机舱质量，；
为重力加速度，。
3.风压大小
风压是受到来自于垂直于大气流方向的平面所受到的风的压力而形成的，依照伯努利方程可以推出风压关系。风的动压为：
其中为风压，；
为空气密度，；
为风速，。
由于空气密度和重度的关系为，因此有。在（1）中使用这些关系可得到：
（2）
在标准状态下（气压为1013hPa，温度为15℃），空气重度r=0.01225，。维度为45°处的重力加速度为：
最终得到风压计算公式为：
（3）
3.3塔架的有限元建模
1.建立几何模型
大中型风力发电机组主要采用以锥筒型塔架为主的形式。其塔架主要由若干段不对等的20-30米的锥筒连接形成，塔架从下往上其直径是逐渐缩小的。在分析过程中，忽视塔架本身强度、自振特质、稳定性没有主要作用或者承受载荷状况不是主要部位是影响较小的条件，建造塔架的一般几何模型。既可以减轻建模的运行工作量，且不会影响分析结果的准确性。塔架拆建为底端锁定、顶端轻松的空间薄壁圆筒形结构[13]。
本次课题采用ansys中新版本workbench15.0进行几何建模。首先打开workbench15.0，运行界面如图3-3-1所示：
图3-3-1 workbench运行界面
在Analysis Systems模块中选择Static Structural（结构静强度分析）。打开窗口如图3-3-2所示。
图3-3-1
双击Geometry进入到草绘模式。风力发电机的塔筒是由三段圆锥筒经过螺栓耦合连接而成。塔底直径为3.955米，塔顶直径为2.655米。三段塔筒的高从下往上具体为:24.9米，24.75米，16.4米。三段塔筒是三个独立的个体，点击菜单栏中的Tools命令，选择connect进行三段塔筒的连接，由此可以代替螺栓连接进行耦合处理[14]，塔筒的建模如图3-3-2所示：
图3-3-2塔筒的几何建模
2生成有限元模型
挑选合适的结构类型和形状及相对的网格对有限元计算而言是非常紧要且关键的。根据板壳理论得出，薄壳结构是：塔筒结构的曲率半径和壳厚度之比(R/t≥20)。薄壳的基本假定也称为Kirchhoff-Love(克希霍夫·勒夫)假定，其内容主要有下列几点；
(1)同薄壳表面相互垂直的直线，在经过变形后同原来垂直线一样，长度不会变化；
(2)平行的表面元素的正常压力和其他压力相比可以忽略不计;塔管壁弯曲变形及平面变形、内力和弯曲力和表面连接和影响,采用壳单元的结构SHELL93可以分析表面的实体,同时塔每个部分管壁的厚度不同,它可以指定单元与不同常数通过ANSYS,建立塔的有限元模型[15]。
点击模型按钮进入网格阶段，因为每个塔的直径和高度都不相等，所以密集的栅格级别是不一样的，网格的塔如图3-3-3所示，基座被用于活动约束，所以他的网格更密集，如图3-3-4所示：
图3-3-3塔筒的网格划分
3-3-4底座的网格划分
3.4应力计算及snsys模拟分析
某定型1.5MW风力发电机组锥筒塔架的结构参数如下：塔架筒壁材料为Q345E合金钢，弹性模量为210GPa，密度为7850kg/m3；塔架高度为63m，底端直径为3.955m，顶部直径为2.655m，底端的壁厚为28mm，顶部的壁厚15mm；叶轮和机舱的总重为50吨；叶轮及机舱的中心到塔顶的高度为1.46m；叶轮及机舱质量中心到塔架中轴线的距离为1.2m，风速为13m/s[16]。
通过静力分析出，塔架是稳固的，那么塔身底端全部的节点会受到滑移自由和旋转自由的束缚，它的值是0。风机塔架承载主重力和风机自重、风机负荷和风荷载，切换到坐标系，可分解为三分力和扭矩。
我们采用不同的壁厚模型进行有限的数值模拟，它的结构已经接近实际的工程塔架。在对塔的变形和应力研究基础上，我们计算出了塔顶的位移和最大应本力。其计算结果列于表3-4-1中。
表3-4-1塔架的位移以及应力计算结果
名称理论计算文献计算ANSYS无门洞ANSYS有门洞整体建模分段建模整体建模分段建模
0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
76.7 76.3 79.4 79.7 79.1 80.7
76.7 76.3 79.4 79.7 79.1 80.7
从表2.1可以看出，塔底的形状不相同。截面的惯性矩的变化对塔顶位移和塔底应力有影响。因而，为了保证机器通常的正常安全运行，在工程的实际安装过程中，应准确调整叶轮所在位置。另外，因为计算得出总体建模与分段建模的结果都很小，所以对于研究有限元建模统计分析就很方便，可以把全部建模用在项目的初步规划中。
在进行风力机塔架的静应力分析之前，我们先对风力机底座进行固定约束，即x，y，z方向上的自由度都为0，如图3-4-2所示：
图3-4-2风力机底座固定约束示意图
风力机顶部需要加上风机的重量，经查阅资料可得风机重约10吨，折合应力为98000牛顿，塔筒自重为50吨折合应力为49000牛顿，如图3-4-3所示：
3-4-3顶部风机受力示意图
3-4-4塔顶受力数据
在风力机所处的沿海地区中，塔架所受的风大都是平行风，因此本课题所施加的风载荷垂直于X轴，取平均风速为13m/s的情况下，按照前文所分析的公式（3-3），根据伯努利方程可求得此时的风载荷等效应力为20929牛顿，如图3-4-5和3-4-6所示：
3-4-5塔筒所受风载荷示意图
3-4-6风载荷计算数据
结合思考上面各类条件，经过ANSYS的模拟计算得出塔架在正常工作时其载荷情况下的变形状况和应力状况会跟着塔架高度变形、应力的变化曲线，如图3-4-7以及3-4-8所示，由图可知，风力机塔架所受的最大应力为
3-4-7风力机塔架的总变形示意图
3-4-8风力机塔架的等效应力图
从风力机塔架的等效应力图与风力机塔筒的总变形图，能够得到对应得塔筒的位移和他们之间的关系以及在应力和位移之间的关系路线。具体步骤为：在进入到Static Structural-Mechanical模块中右击Model（A4），单击insert按钮，选择Construction Geometry，相同的步骤右击insert选择Path，具体的参数设置为塔筒开始的点选择塔底座，具体数据为X：1.3275m；Y：1.3275m，Z：66.05m。结束的点选择塔顶，具体数据为X：1.9775m，Y：1.9775m，Z：0。在Solution（A6）中右击insert，依次调选出等效应力（Equivalent）和位移（Total Deformation），设置Scoping Method为Path。最后右击Solution（A6）进行求解，所求得的结果如图3-4-9和3-4-10所示：
图3-4-9塔架的位移-高度曲线
图3-4-10塔架的应力-高度曲线
从图3-4-9和图3-4-10分析可知，塔架越高则塔架所承受的相对应力就越小，但与此同时，随着塔架的越来越高，塔筒的位移也就越大。因此，在实际工程中还需要考虑塔筒的高度是否满足要求，防止应力过大而造成不必要的损失[17]。
3.5本章小结
1.结合结构动力学原理，思考到风力发电机塔筒的特质及特性，我们就可以构造出塔筒的几何模型。把理论值和ANSYS模拟的结果进行了对比，验证塔筒建模的正确性，并且塔筒的位移和受力情况都能满足实际工程中的应用
2.在进行静力学的计算时，塔架越高，塔筒的位移也就越大。塔筒在载荷力的作用下，静应力在塔筒上的呈非线性分布规律。随着部分截面尺寸的变化，对于开了门洞的塔底，它的塔顶部位移及底端应力要比不开门洞的时候大。塔架在没有受到风速的影响下，塔顶的位移和塔底的应力与风速是呈正比关系的。
3.经过静应力分析之后，我们可以检测塔筒的结构强度是否能够满足实际工程应用、最大位移在不在安全指标之内。这也为塔筒的动力学分析打下了基础。
第四章风力机塔架的疲劳分析评价
磨损、腐蚀和断裂是结构失效的三种主要形式和三大原因。其中断裂经常发生突然，往往造成灾难性的事故，因此更注重断裂的破坏。断裂是由多方面造成的的。据分析，占三分之二以上的断裂事故是由结构疲劳造成的[17]。比如制造业项目和风力发电项目，很多事故都是由疲劳主要造成的。通常来说，疲劳主要是因为结构在循环荷载或者随机荷载作用下破坏形成的，因而，我们在对结构的疲劳研究具有非常重要的意义。
4.1疲劳分析的基本理论
4.1.1结构的疲劳定义
疲劳是指在交变应力作用下，构件在多次循环后的突然断裂。外部负载的数量与结构的疲劳破坏和循环次数有关。根据实验得出，疲劳裂纹的产生、扩展和最终破裂都是应力随着交变应力作用开裂的本质。因而，当循环应力下降时候，它的疲劳寿命随之延长。在工作时，大于510的疲劳问题被称为高频率疲劳或者是低频率疲劳。疲劳寿命是结构损伤的循环应力载荷[17]。
4.1.2影响结构疲劳寿命的主要因素
对于影响结构静态强度的因素也会影响到疲劳强度或疲劳寿命，但它们影响的主体不同。除了结构材料外，结构、截面尺寸和表面状态也有关系。
1．结构外形的影响
在工程的实际工作中，因为施工的工艺要求，如螺纹、沟槽、孔等，它们的结构截面尺寸通常会发生相应变化。因为结构的形状变化(缺口或横截面)加大了某些部件的应力和张力，一般称为应力集中。实验结果证明，应力集中会引起疲劳裂纹的构成，应力集中对于疲劳强度也有着十分重要的影响，同时对结构的疲劳寿命起着非常重要的作用。
2．构件截面尺寸的影响
通过弯曲和扭转疲劳试验证明，因为构件截面尺寸的减小，致使疲劳极限增加。由于最大应力时是一样的,表面的高应力区域的体积大尺寸组件的比体积小的组件,所以疲劳裂纹形成的概率大尺寸组件的比体积小的组件。实验结果证明，随着构件尺寸越大，它的疲劳极限就越高;材料的静强度就越大，从而对构件疲劳极限的影响就越大。因而，大尺寸构件的疲劳极限应小于小尺寸构件的疲劳极限，因此我们应结合实际结构的疲劳进行分析思虑[18]。
3．表面加工质量的影响
疲劳裂纹通常发生在构件表面，构件表面常有各种缺陷。因而，零件表层部分的加工质量和状态会对构件的疲劳强度产生明显的影响。实验结果证明，表层的质量处理越低，疲劳极限就越大，材料的静强度也就越高，加工质量对构件疲劳极限的影响就会越大[18]。
4．载荷频率的影响
因为腐蚀或高温的影响，由于结构的高周疲劳，其加载频率对结构疲劳极限会有很大影响。然而，负载频率对疲劳极限的影响是非常小的，当空气在室温下在干浴测试。由于加载频率的加大，结构的疲劳极限和寿命也会稍微加大。
4.1.3结构疲劳的研究方法
疲劳寿命分析方法作为结构疲劳研究的主要研究方法之一。在多个领域研究中不同学科对疲劳问题的研究内容以及目的是不同的[19]。
材料学科中的疲劳问题，说明了材料是在多次荷载作用下损伤产生和演化的机理。结构和机械设计研究主要是对抗疲劳设计的研究，而宏观力学则偏向于对光滑或者简单的缺口试样进行多次载荷的力学行为。
在实际工程中，一般实用的疲劳寿命分析方法一般有名义应力法、局部应力应变法和应力应变场强度法等。由于计算机技术与有限元分析的不断发展，疲劳寿命分析方法也受到大众的欢迎[19]。在对产品的开发阶段，可以对不同计划的疲劳寿命品质进行对比，而且能够检查出产品的疲劳寿命是否满足设计的实际要求，从而实行抗疲劳设计[19]。
4.2塔架的疲劳ANSYS分析基本原理
1.疲劳累积损伤
当最大应力超过了它的疲劳极限时，部件就会产生一定的破坏，破坏是累积损伤，当累积到一定临界值时，发生疲劳破坏。这就是累积损伤。是指在给疲劳累积损伤理论下定义时，常常会以疲劳损伤D和疲劳损伤的演变dD/加作为基本量，而且其疲劳损伤£>具备明确的物理意义，并与实验数据有一致的疲劳损伤演化规律。
对于疲劳累积损伤理论，有两个问题需要我们解决：
（1）用循环荷载确定材料或部件的损伤程度；
（2）怎么区分失效时的临界损伤值。
对于定义疲劳损伤的方法有很多，但多数是采用宏观现象学来定义的。不能准确给出损伤程度，实际应用中会出现一些误差。现今国内外的一些学者希望能够通过对连续介质损伤理论的理论分析，但是他们对于所有的应用都没有可支撑的理论数据分析，尤其是对于复合材料的分析研究，因为其多向异性的特点，给分析也形成了一定的困难[19]。下面是给出的最通用的一些疲劳累积损伤模型，在没有找到更好的分析方法时可以作为一种选择。
1945年，Miner基于网损材料吸收原理，提出了线性累积损伤的数学表达式。根据材料吸收净功的原理，设材料在破坏时吸收的净功为W，材料经次应力循环吸收的功为，若材料经次应力循环后发生破坏，则：
（4.1）
同理，设为经过次应力循环材料吸收的功，且材料经过次应力循环后破坏，则：
（4.2）
在材料破坏时有：
（4.3）
由公式（4.1）-（4.3）可知：
（4.4）
由式子（4.4）可写成：
（5.5）
此外，还有一些其他线性疲劳累积损伤理论。表4-1给出了一些常用的线性理论，并详细介绍了各个理论的具体用法。
表4-1线性疲劳累积损伤理论
作者累积损伤模型材料参数
Palmgren Miner损伤定义
破坏准则
Lundberg损伤定义
破坏准则
shanleg损伤定义
破坏准则n
Grover损伤定义
破坏准则
2．名义应力法
名义应力法就是从材料的S−N（如图4-2）曲线出发，考虑构件的表面质量状况、尺寸等诸多因素对构件或结构疲劳危险部位进行的疲劳强度或疲劳寿命计算[19]。
（1）在静力强度分析的基础上，确定了结构疲劳破坏的可能位置
（2）计算危险部位的名义应力，确定应力集中系数
（3）危险部分的名义应力谱由载荷谱决定
（4）根据疲劳损伤累积理论，对结构危险件的疲劳寿命进行了估算
图4-2 S-N疲劳曲线
4.3ANSYS疲劳模拟分析
1.ANSYS疲劳分析的基本步骤：
（1）输入后置处理器POST1，还原数据库。
（2）规模的疲劳性能，疲劳计算的建立，材料和疲劳计算的位置，需要包括：定义的位置的最大数目，事件和荷载；材料疲劳性能的定义；定义材料的疲劳性质；定义应力位置和应力集中系数。
（3）存储压力，指定事件数、周期和比例因子。ANSYS采用雨流计数法，自动计算所有可能的应力范围。
(4)激活疲劳计算
(5)查看计算结果
4.4本章小结
在风机运行过程中，叶轮和风荷载不断冲击塔架，使风机在正常工况和极限载荷作用下产生疲劳损伤。本文对风机额定使用寿命范围内，外载荷大约对塔架冲击61.6×10次。由计算可以知塔架的疲劳寿命系数D=0.82464<1，那么塔架满足疲劳设计要。
第五章结论与展望
因为风力机的空气动力学是一个非常复杂的系统，而且因为叶片的各向异性复合，即使到了今天，风机的回应与运行对气动性能的影响，仍然是叶片气动问题的关键和难点问题。风机叶片的使用寿命在很大程度上取决于疲劳寿命，因此对其疲劳寿命的分析具有重要意义。
各章的主要内容如下：
第一章介绍了选题的背景和意义。在此背景下，主要介绍了风电产业的发展、风力机及其叶片、复合材料疲劳等相关内容。其次，阐述了国内外风力机叶片疲劳分析的现状。最后，对本文所做的工作做了简要的介绍。
第二章主要介绍了风力机的组成结构以及它的理论分析，引出了有限元分析软件的由来，通过ANSYS进行有限单元的研究。
第三章是本文的重点部分，利用ANSYS软件对风电塔架进行建模，然后对风电机组的负荷进行了计算和比较，重点研究了工作风速范围、湍流风的作用、平均风速对应的不同负荷。
第四章主要应用ANSYS软件对风力机塔筒进行疲劳寿命分析的验证，分析了疲劳破坏的几种形式；确定了疲劳分析选用的S-N曲线。
第五章为全文的总结与展望。
本文采用ANSYS软件将其应用于计算缸顶荷载值对应的应力值时，指数函数的经验方程计算在不同的周期下应采用单刃力作用下。据推测，对应于每个风速对应的应力循环的百分比对应于每个风速在叶片的整个生命周期的分布。最后，根据Miner线性累积损伤法则，就可以计算塔架疲劳寿命。
影响疲劳计算的主要因素如下：
（1）由于风电机组负荷分析的简化，实际工作运行中的负荷要复杂得多，从而导致预测寿命的增加；
（2）只考虑正常工作条件，不考虑正常停机、紧急停车、启动、怠速、停机等；
（3）S-N曲线中参数的选取会对结果造成影响；
（4）Miner法则没有考虑加载次序的影响；
线性累积损伤计算，无应力作用在生命周期的疲劳极限以下，实际上造成一定程度的物质损失，降低使用寿命，且低于疲劳极限的应力循环中所占比例很高的总周期.
然而，到目前为止，风电塔寿命预测大多采用Miner规则，因此需要更合理的FRP叶片疲劳累积损伤理论，需要进一步研究。
为了计算疲劳极限下的应力循环引起的损伤，必须修正疲劳性能曲线。如果原来的S-N曲线的斜率延伸到疲劳极限较低的部分，这可能会导致过于保守的计算。怎样才能更好地纠正这种方法引起的误差需要我们进一步研究。
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致谢
本文是在导师杨谋存授深切关怀和精心指导下完成，从选题到定稿都凝聚着导师的心血和汗水。在论文的撰写过程中，杨老师多次细心指导，并对本文的写作提出了关键性的意见,有时更是逐字逐句的修改。杨老师渊博的知识，严谨务实的治学态度，高度负责、精益求精的敬业精神给我留下了深刻的印象，让学生收益无穷。杨老师不但注重学生科研能力方面的培养、提高学生的独立思考能力，还重视学生道德品质的培养，而且在生活上更是关怀备至。在此谨向导师致以深深的感谢。
感谢南京工业大学各位老师的耐心回答，感谢各位师兄以及同窗好友的热情关心，我们建立了深厚的友谊，他们学习的态度、钻研的精神、待人的热情和做事风格都值得我去学习。
感谢我的家人在我学习期间给我始终如一的支持和鼓励，这是我一生享用不尽的宝贵财富，也将永远是我前进的动力。最后，感谢评阅本篇学士论文和出席论文答辩的各位专家，感谢您们在百忙之中给予作者的指导!
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