第三届全国大学生 结构设计竞赛 计算书 计算书 [键入文档副标题] [在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。在此处键入文档的摘要。摘要通常是对文档内容的简短总结。] bri [选取日期] 二〇〇九年十一月
参赛学校： 东南大学 作品名称： 紫气东来 参赛队员： 张逢 刘天一 姚刘镇 第 II 页
目 录
1设计说明..................................................................................................................... 1 2总装配图..................................................................................................................... 1 3叶片设计及构件图..................................................................................................... 1 4塔架设计、构件图及主要连接图............................................................................. 2
4.1发电塔架设计................................................................................................... 2 4.2 结构几何与材料属性的确定.......................................................................... 2 4.3 塔身构件图...................................................................................................... 3 4.4 主要连接图...................................................................................................... 3 5水平风荷载计算......................................................................................................... 3 6 结构变形计算............................................................................................................ 4
6.1 有限元模型的建立.......................................................................................... 4 6.2 分析假定.......................................................................................................... 4 6.3位移计算结果................................................................................................... 5 7结构承载力计算结果................................................................................................. 5
7.1强度验算........................................................................................................... 5 7.2稳定性分析（对压弯柱）............................................................................... 5 8模型详图与材料预算................................................................................................. 6 参考文献........................................................................................................................ 6
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1设计说明
此次结构设计竞赛模型为定向木结构风力发电塔。竞赛限定塔身高为800mm，叶轮直径为800mm。竞赛目的是为了在满足竞赛要求的情况下，通过合理设计叶片形状和数目，使得风力发电机的发电效率最大，同时尽量保证发电塔的塔身结构材料消耗较轻，结构强度和刚度能够满足竞赛要求。这需要综合运用空气动力学、结构力学和材料力学等相关的力学知识。从结构刚度要求和节约材料角度出发，发电塔结构选择正三角形截面的格构式结构。其具有较好的刚度，同时在视觉上，我们也希望以尽量少的杆件形成刚度较好的塔架结构，并通过合理的设计尽量减小杆件的截面尺寸，这样从各个角度观赏结构都具有较好的视觉效果。我们设计的结构模型效果如图1所示。
图1 结构模型图（斜视图）
2总装配图
总装配图如图2所示，采用三片叶片，三片叶片之间角度为120度。叶片与风电塔之间采用风叶连接件进行连接，风叶连接件的外轮廓尺寸为92mm。
图2 总装配图
3叶片设计及构件图
图 3风力发电机测试系统
风力发电机的功率和位移测试系统如图3所示。在风力发电机的发电功率测试系统中，发电机功率采用功率计测量，负载为15欧姆。风力发电机的效率和叶片对发电机产生的扭矩密切相关，其与电流强度、叶片的动力扭矩成正比。 图4叶片外轮廓图 图5 叶片分段截面尺寸
风力发电机叶片设计是风力发电机捕捉风能的核心部件，叶片设计的好坏直接决定了风力发电机的发电效率，是整个风力发电机系统最为关键的部分。根据竞赛中给定的风速条件，本风力发电机的叶片应设计为低速叶片。叶片设计需要遵循以下几个原则。叶片面积要适中，不能过大和过小，叶片面积过大则各个叶
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片相互之间会有干扰，从而影响叶片对电机的扭转力矩；叶片面积过小，则叶片的兜风面积过小，每个叶片对电机的扭矩减小。叶片的角度要合理，角度过小，风的扭矩不足；角度过大，在转动过程中，空气的阻力也较大。根据上述原则，设计的叶片构件图如图4-5所示，图4为叶片外轮廓图，图5为叶片分段截面尺寸。
4塔架设计、构件图及主要连接图
4.1发电塔架设计
根据竞赛要求，塔架截面为正多边形。风力发电塔结构的主要受水平风荷载作用，如图6所示。发电塔结构受力近似为悬臂梁结构，其受力特点如图7所示。在迎风一侧的立柱主要受拉力，在背风一侧的立柱主要承受压力。基于此，考虑塔架刚度和强度要求，以及风的方向，塔架截面设计为正三角形。且三角形发电塔的底边要和来流风荷载的方向垂直，同时将一根立柱前置，位于迎风向，受拉为主；另外两根立柱位于背风向，受压为主。
图6 风电塔荷载 图7风电塔受力特点
图8 结构模型图（立面图）
这样使得由于风力发电机选用的叶片面积较大，风荷载较大，将塔架分为5段，每段160mm。在风荷载作用下，由于风轮扫略面上下部位风速的不均匀分布、叶轮和电机的位置轻微偏心而引起的振动都会导致发电塔架受扭。应增加塔架截面的抗扭刚度以抵抗该扭转力矩，为此将斜腹杆设计为交叉腹杆，如图8所示。
4.2 结构几何与材料属性的确定
根据竞赛给定的木材规格，选择材料其规格、强度、弹性模量如表1所示。其顺纹抗拉强度、弹性模量作为模型计算时确定材料属性的依据。
表1 材料规格与参数
材料规格 W551 截面尺寸（mm） 50×1，2×2，6×2，6×6 抗拉强度 (MPa) 30 弹性模量E（MPa） 1.0×104 第 2 页
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