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1、木结构定向风力发电塔及叶片方案设计与理论分析作品名称 沐风 参赛学校 四川大学 参赛队员 吴恒兴 、 董凯 、 邓小燕 专业名称 土木工程 、 土木工程 、 土木工程 指导教师 傅昶彬 二九年十一月1. 设计说明书1.1寓意春天来了，一位美丽的少女到郊外踏青，尽情地享受春风的沐浴。塔身宛如她修长的身姿，叶片好似她飘柔的秀发（见图1-1）。图1-1 寓意构形1.2结构造型根据赛题的要求，塔身外轮廓采用方棱台体，柱网尺寸：下端120mm120mm，上端60mm60mm，塔高800mm，高宽比800/1206.7。三片风叶互成120角，叶轮直径796mm，叶片外表为流线型双曲面。1.3结构选型（1）
2、塔身。在满足赛题规定的承载力和变形刚度要求条件下，为了设计最轻的结构，我们选用了空间桁架结构形式，并试图做到较多的杆件满应力受拉，尽量减少受压杆杆和赘余杆件。在设计空间桁架的具体形式时，遵循对称均匀，受力明确，传力直接，方便制作的原则。（2）叶片。在满足赛题规定的条件下，为了获得重量轻、发电功率大的叶片，在分析了目前各系列翼型的参数后，结合给定的风速要求，采用流线型双层双曲面薄壳结构形式，支座为主梁转换，根部安装角20，端部10。1.4特色（1）形体。通过多方案比较、数值仿真和模型实验，选定底面120mm120mm、顶面60mm60mm、，高800mm的高挑尺寸，并抽掉塔身迎风面和背风面的赘余
3、水平杆件（见图1-2），形成柱间菱形串构图，以体现少女身材修长苗条、婀娜多姿的寓意。图1-2 塔身空间框线图（2）柱子。柱截面采用轮廓尺寸为6mm6mm的格构柱，分肢由四根截面2mm2mm的细杆组成，缀件采用2mm2mm6mm的短节十字交叉于柱的空腹部位，形成暗缀件。暗缀件格构柱既有利于相交杆件在节点处的穿斗连接，又使柱的外形简洁美观，富有新意。另外，在轴心压力下（柱子实际的弯矩、剪力很小，可以忽略不计）柱子在两个主轴方向是等稳定的，从而可以达到合理用材的目的。（3）传力。发电机是塔顶的主要荷载，但同时又具有巨大的刚度。为此，将发电机总成（含叶片、连接件等）的荷载直接传给塔顶的四根柱子，并锁紧
4、发动机与塔顶支座板的连接螺栓，使发电机与塔架融为一体，不再强调承重梁和增设顶面刚度杆件，以达到传力直接、受力合理、节约用材的目的。2.结构图及效果图 结构图所标注的长度以mm计，标高以m计。叶片的结构图见图2-1和图2-2，塔身的结构图见图2-3图2-7，整个装置的效果图见图2-8。图2-1 叶片结构主视图a) 11 b ) 22 c) 33 d) 44 e) 55 图2-2 叶片截面 a) 侧风面 b）迎风面图2-3 塔身几何尺寸a) 正立面 b)侧立面图2-4 塔身立面结构布置 a) ZI立面投影图（0.0000.200） b) 11 图2-5 格构柱 图2-6 基脚结构平面 图2-7 塔
5、顶结构平面 图2-8 效果图3.结构分析3.1 叶片 （1）工作原理由于翼型表面形状的干扰，作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的。如图3-1所示，翼型上表面压力低于周围气压，称为吸力面，下表面压力高于周围气压，称为压力面。由伯努利理论，翼型上表面的气流速度较高，下 图3-1 风向与叶片面力分布示意表面的气流速度较低，形成一个环绕翼型流动的环流。环流的存在导致了叶片的工作。为了取得良好的气动性能，叶片截面应为流线型，由叶素理论可知，叶片的升力和阻力主要与攻角、截面形式和角速度有关。如图3-2所示，在一定的风速下，要使发电机的发电功率大，就要转速快，要转速快就要叶片产生的转矩大，要转矩大就不仅要求
6、叶片质量轻，而且要求叶片每个截面的升阻比大。升阻比与攻角有关，而攻角沿叶片的展向是在不断变化的，所以要确定最佳的叶片形式是有难度的。为此，我们参考相关的资料和实验，最终选定叶片为流线型双层双曲面薄壳结构，根部安装角为20，端部安装角为10，从而保证良好的气动性能。 图3-2 攻角与升力示意（2）荷载计算简化：取风速v=9m/s计算风压，不考虑发电机转速影响，如图3-3所示，将叶片分成四块区域，分别计算各块上的风压，风压体型系数及风图3-3 叶片风压分区示意压计算见表3-1。 表3-1 体型系数与风压p（N/mm2）（3）结构仿真分析木材按各向同性考虑，取弹性模量E=1.0104N/mm2，容重
7、=410-4N/mm3，抗拉、抗压强度（赛题所给顺文抗拉强度30N/mm2），挠度限值取（为叶片悬长）。叶片数值仿真分析，见图3-4图3-10。主梁选用梁单元矩形变截面，最大端截面6mm6mm，最小端截面2mm4mm，根部支座按固定节点考虑，双曲面板划分网格后近似选用薄板单元，板厚1mm。由计算成果可知，叶片的强度和刚度均满足要求。图3-4 叶片内部结构图3-5 叶片有限元模型 图3-6输入风压（10-5N/mm2） 图3-7 梁应力（N/mm2）图3-8 迎风面板应力（N/mm2） 图3-9 背风面板应力（N/mm2） 图3-10 叶片变形（mm）3.1 塔身（1）荷载取值除格构柱外，其他构
8、件均为实腹截面，截面尺寸如图2-4所示。取重力加速度g=10m/s2，木材容重=410-4N/mm3。 据赛题和组委会答复（二），取发电机重37N（包括4M6固定螺栓，该螺栓的质量赛题未作交代)，连接件重3N，9M4叶片连接螺栓共计重0.18N。据表4-1，叶片重0.52N，塔身重0.46N。据叶片风压计算，取最大风速时的水平风力为3N。 荷载：塔身重量较轻，将其重量简化作用于塔顶，并与发电机重合并，共计37.46N，平均分配作用于柱顶。 荷载：连接件、叶片及连接螺栓共计3.7N，经量测连接件偏离塔顶形心水平距离130mm。 荷载：水平风力3N作用于发电机转轴位置，经量测发电机转轴距塔顶55m
9、m（发电机转轴到机底的尺寸赛题未给出）。 塔身空间桁架杆件的截面尺寸较小，忽略作用在其上的风力。 经计算确定，在水平风力作用下，若发电机的底板要脱离塔顶面倾覆，则水平风力需要大于36N，而这是不可能达到的风力，故塔顶的基座螺栓连接板不考虑平面外受力。 （2）荷载组合 工况一：风速为零时，+ 工况二：风速最大时，+，不考虑叶片的摆动影响。 工况三：风速最大时，+，考虑叶片的摆动影响，取风力偏心距=10mm来等效。（3）结构分析 由数值仿真分析可知，工况三为最不利工况，其荷载简图见图3-11。图3-11 工况三简化为塔顶的节点力节点1和节点3的竖向力： 节点2和节点4的竖向力：节点2和节点4的水平
10、力： ，木材仍按各向同性考虑，弹性模量E=1.0104N/mm2，容重=410-4N/mm3，取抗拉、抗压强度（赛题所给顺文抗拉强度30N/mm2），塔顶水平位移限值=8mm。塔顶面固紧连接螺栓，考虑发电机的刚度贡献，面内刚度视为无限大，用3mm厚板模拟。柱脚按铰接支座考虑。将格构柱截面按回转半径相等的原则化为方箱形截面，见图3-12。 图3-12 柱截面转化 塔身空间桁架杆件选用梁单元，各杆件截面见图2-4和图2-5。 图3-13 塔身有限元模型 图3-14 塔顶节点力（N）数值仿真分析主要结果见图3-13图3-18。由图3-15可知，柱的底层最大轴压力N，柱的底层最小轴压力N，且大量杆件为
11、拉杆。由图3-16可知，支座竖向反力之和与塔顶竖向节点力之和相等。由图3-17可知，最大拉应力=0.8N/mm2，为0.6000.800标高顺风向桁架的斜杆，最大压应力=1.2N/mm2，为底层柱，但柱因格构柱转换为方箱形柱，故应力值只能作参考，需手算方式重新验算其承载力。由图3-18可知，塔身顶面最大水平位移=0.396mm。图3-15 杆件轴力（N）图3-16 支座反力（N）图3-17 杆件最大组合应力（N/mm2） 图3-18 塔身位移（mm）底层格构柱承载力验算。参考木结构设计规范，桐木比照强度等级为TC17的树种。整体稳定性验算。取格构柱计算长度=200mm，轴心压力N，截面面积=1
12、6mm2,截面惯性矩mm4，回转半mm，长细比 ，格构柱分肢计算长度=40mm，截面面积mm2，惯性矩mm4，回转半径mm，长细比，换算长细比 整体稳定满足要求。分肢稳定验算。分肢稳定满足要求。 由有限元分析和手算结果可知，塔身的承载力和变形刚度均满足要求。4木结构质量统计 木材质量密度取400kg/m3，塔身和叶片各自的质量统计见表4-1。表4-1 木结构质量统计表构件名称截面轮廓截面面积（mm2）长度(mm)数量体积（mm3）Z16x616801451264柱缀件22461603840L124810521680L22489021440L32487521200L42486041920SC124814922384SC224812822048SC32
