全國大學生結構設計競賽計算書（Word）

1、計算書鍵入文檔副標題二九年十一月在此處鍵入文檔的摘要。摘要通常是對文檔內容的簡短總結。在此處鍵入文檔的摘要。摘要通常是對文檔內容的簡短總結。bri選取日期第三屆全國大學生結構設計競賽計算書I / 19參賽隊員：張逢 劉天一 姚劉鎮(zhèn)作品名稱：紫氣東來參賽學校：東南大學目 錄1設計說明12總裝配圖13葉片設計及構件圖24塔架設計、構件圖及主要連接圖34.1發(fā)電塔架設計34.2 結構幾何與材料屬性的確定54.3 塔身構件圖54.4 主要連接圖65水平風荷載計算86 結構變形計算96.1 有限元模型的建立96.2 分析假定106.3位移計算結果107結構承載力計算結果117.1強度驗算117.2穩(wěn)定性

2、分析（對壓彎柱）128模型詳圖與材料預算12參考文獻131設計說明此次結構設計競賽模型為定向木結構風力發(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況下，通過合理設計葉片形狀和數(shù)目，使得風力發(fā)電機的發(fā)電效率最大，同時盡量保證發(fā)電塔的塔身結構材料消耗較輕，結構強度和剛度能夠滿足競賽要求。這需要綜合運用空氣動力學、結構力學和材料力學等相關的力學知識。從結構剛度要求和節(jié)約材料角度出發(fā)，發(fā)電塔結構選擇正三角形截面的格構式結構。其具有較好的剛度，同時在視覺上，我們也希望以盡量少的桿件形成剛度較好的塔架結構，并通過合理的設計盡量減小桿件的截面尺寸，這樣從各個角度

3、觀賞結構都具有較好的視覺效果。我們設計的結構模型效果如圖1所示。圖1 結構模型圖（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。葉片與風電塔之間采用風葉連接件進行連接，風葉連接件的外輪廓尺寸為92mm。圖2 總裝配圖3葉片設計及構件圖圖 3風力發(fā)電機測試系統(tǒng)風力發(fā)電機的功率和位移測試系統(tǒng)如圖3所示。在風力發(fā)電機的發(fā)電功率測試系統(tǒng)中，發(fā)電機功率采用功率計測量，負載為15歐姆。風力發(fā)電機的效率和葉片對發(fā)電機產生的扭矩密切相關，其與電流強度、葉片的動力扭矩成正比。 圖4葉片外輪廓圖 圖5 葉片分段截面尺寸 風力發(fā)電機葉片設計是風力發(fā)電機捕捉風能的核心部件，葉片設計的

4、好壞直接決定了風力發(fā)電機的發(fā)電效率，是整個風力發(fā)電機系統(tǒng)最為關鍵的部分。根據(jù)競賽中給定的風速條件，本風力發(fā)電機的葉片應設計為低速葉片。葉片設計需要遵循以下幾個原則。葉片面積要適中，不能過大和過小，葉片面積過大則各個葉片相互之間會有干擾，從而影響葉片對電機的扭轉力矩；葉片面積過小，則葉片的兜風面積過小，每個葉片對電機的扭矩減小。葉片的角度要合理，角度過小，風的扭矩不足；角度過大，在轉動過程中，空氣的阻力也較大。根據(jù)上述原則，設計的葉片構件圖如圖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塔架設計、構件圖及主要連接圖4.1發(fā)電塔架設計根據(jù)競賽要求，塔架截面為正多邊形。風力發(fā)電塔結構的

5、主要受水平風荷載作用，如圖6所示。發(fā)電塔結構受力近似為懸臂梁結構，其受力特點如圖7所示。在迎風一側的立柱主要受拉力，在背風一側的立柱主要承受壓力?；诖?，考慮塔架剛度和強度要求，以及風的方向，塔架截面設計為正三角形。且三角形發(fā)電塔的底邊要和來流風荷載的方向垂直，同時將一根立柱前置，位于迎風向，受拉為主；另外兩根立柱位于背風向，受壓為主。 圖6 風電塔荷載 圖7風電塔受力特點圖8 結構模型圖（立面圖）這樣使得由于風力發(fā)電機選用的葉片面積較大，風荷載較大，將塔架分為5段，每段160mm。在風荷載作用下，由于風輪掃略面上下部位風速的不均勻分布、葉輪和電機的位置輕微偏心而引起的振動都會導致發(fā)電塔架受扭

6、。應增加塔架截面的抗扭剛度以抵抗該扭轉力矩，為此將斜腹桿設計為交叉腹桿，如圖8所示。4.2 結構幾何與材料屬性的確定根據(jù)競賽給定的木材規(guī)格，選擇材料其規(guī)格、強度、彈性模量如表1所示。其順紋抗拉強度、彈性模量作為模型計算時確定材料屬性的依據(jù)。表1 材料規(guī)格與參數(shù)材料規(guī)格截面尺寸（mm）抗拉強度 (MPa)彈性模量E（MPa）W551501，22，62，66301.01044.3 塔身構件圖根據(jù)對結構的傳遞路徑分析，我們確定了結構各桿件的截面型式與尺寸。結構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10

7、mm，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增設一橫隔板，橫隔板厚度為1mm。腹桿采用正三角形箱型截面，邊長為5mm，厚度1mm。腹桿采用T形截面，與相同。風力發(fā)電塔的頂部正三角形截面邊長為100mm，底部邊長為200mm，其尺寸和構件如圖9-10所示。 圖9 塔架尺寸 圖10 塔架構件圖4.4 主要連接圖 頂部橫梁與立柱連接典型結點詳圖圖11頂部斜腹桿與立柱連接典型結點詳圖圖12 頂部橫梁與立柱連接典型結點詳圖圖13 T形截面斜腹桿交叉連接結點圖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)點圖15所示。 圖15 塔架柱腳安裝

8、連接圖5水平風荷載計算本風力發(fā)電塔承受的主要荷載為水平向的風荷載。風荷載主要包括兩個部分，一個部分是葉片部分的風荷載；另外一部分是塔架結構的風荷載。經過反復調試，最后本風力發(fā)電機選用三片葉片。每個葉片的面積約為2800mm2。 對于葉片，風荷載的壓強近似計算公式為 (1)其中，為風壓，單位為N/m2；為空氣密度，近似取為1.2930kg/m3；為風速，競賽中給定，三級風速分別為4m/s，6.8m/s和9m/s。其中比賽中保證在第二級風速下，發(fā)電塔的剛度要進行測量，同時保證在第三級風速下結構不倒塌。葉片的風荷載計算公式為 (2)其中，為葉片風荷載，單位為N；為葉片面積；為葉片體型系數(shù)，這里近似取

9、1；為風振系數(shù)，考慮結構剛度較好，風速較低，這里近似取1。 塔架結構的風荷載也可按照公式(2)來計算，體型系數(shù)可按照建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2001(2006版)中表7.3.1中項次34塔架類查取。其中風向考慮為三角形風向。擋風系數(shù)為0.15，查表可得風載體型系數(shù)為2.3。塔架的風振系數(shù)可近似取為1。6 結構變形計算結構承受豎向重力荷載和水平風荷載作用。豎向荷載主要包括發(fā)電機自重、葉片自重和塔架自重。發(fā)電機自重為3700g。6.1 有限元模型的建立圖16有限元模型斜視圖根據(jù)高聳結構設計規(guī)范GBJ-135-90，對于塔架結構，在進行結構內力分析時應按作為空間桁架結構進行計算，但由于本塔架

10、為木結構，節(jié)點處連接主要靠膠水進行粘連，按照剛接計算較為合理。所以本塔架結構在進行內力分析時，采用空間剛架結構進行計算。且本結構為空間結構，涉及桿件較多，具有多次超靜定的特性，通過手工計算難以獲得其準確的計算結果。為此，我們根據(jù)確定的結構型式、桿件截面以及材料屬性等設計參數(shù)，在大型通用有限元分析程序ANSYS中建立結構的分析模型。分析時，剛架橫梁、聯(lián)梁、立柱以及斜腹桿采用Beam44梁單元，結構的空間三維有限元模型如圖16所示，6.2 分析假定（1） 風力發(fā)電塔結構固定于塔架安裝底板上。發(fā)電塔柱底通過螺栓固定，根據(jù)其約束情況，在結構分析模型中，三個柱子的柱底節(jié)點約束取為理想鉸接約束。（2）所有

11、結構構件均在彈性范圍內工作，即計算時不考慮結構的材料非線性，但為了提高位移計算結果的精確性，分析時考慮結構的幾何非線性影響，即打開大變形效應開關，將NLGEOM設為ON。（3）根據(jù)競賽試驗要求，所施加的荷載工況為：工況1-在第二級風荷載作用下計算結構變形；工況2-在第三級風荷載作用下結構滿足承載力要求。6.3位移計算結果圖17 第二級風荷載作用下的水平向(X向)位移云圖第二級水平風荷載作用下的水平(X向)位移計算結果如圖17所示。最大水平(X向)位移發(fā)生于柱的頂部，最大水平(X向)位移非常小，僅為0.22 mm。圖18 第二級風荷載作用下的水平向(Y向)位移云圖第二級水平風荷載作用下作用下的水

12、平(Y向)位移計算結果如圖18所示。由于該方向為風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)生于柱的頂部，可見結構的受力特性接近于懸臂梁。此外，根據(jù)風荷載的方向，將三角形電塔的底邊設置與來流風向垂直，以結構剛度最強方向來抵抗風荷載，是非常合理的。7結構承載力計算結果7.1強度驗算結構在水平第三級荷載作用下的最大應力云圖如圖19所示，其中結構最大壓應力達到-12.25MPa，位于背風一側的柱子底部。最大拉應力位于迎風一側柱子底部，為24.45Mpa。最大應力都小于木材的抗拉強度，滿足強度要求。圖19 第三級風荷載作用下的結構最大應力云圖7.2穩(wěn)定性分析（對壓彎柱）穩(wěn)定性分析參考鋼結構穩(wěn)定分析原理處理平面內穩(wěn)定計算公式為：平面外穩(wěn)定計算公式為： 根據(jù)上述公式，對受壓狀態(tài)下的各構件進行了驗算，皆滿足要求。8模型詳圖與材料預算根據(jù)結構設計方案，考慮到加工要求，根計算數(shù)提供結構桿件的詳圖與下料統(tǒng)計預算表如下所示。結構的整