预应力混凝土风电塔架优化设计研究

【摘要】：随着风能的迅速发展，风机单机容量逐渐扩大，导致传统钢锥管塔架壁厚、直径和高度增大，使得风机塔架的制造、运输安装费用急剧增加。为降低多兆瓦风电塔架的建设成本，国外相关风电公司和学者展开了广泛的研究。本论文在前人研究成果的基础上，提出一种新型的预应力混凝土塔架结构形式，通过结构整体优化设计，得到经济合理的结构设计方案。 本文以预应力混凝土塔架结构各方向的自振周期及最大应力为控制参数，将风电塔架截面优化为正八边形带肋的结构形式；通过对有限元软件ABAQUS以及优化软件SIPESC.OPT进行二次开发，编制了一套基于风电塔架细部尺寸(外径、壁厚、竖向形式、竖向肋尺寸、预应力水平等)为优化变量，材料成本为目标函数的自动化建模、提取计算结果、优化选择最优解的遗传算法优化程序；运用该程序优化了5MW预应力混凝土塔架，将优化结果与已有研究成果相对比，验证了优化方法的可靠性；根据上海电力设计院提供的5MW风机资料，选取东海大桥风电场为具体风场，给出预应力混凝土塔架的详细优化设计过程与具体参数，并针对正八边形带肋结构给出了一些施工建议。 本课题研究得到国家自然科学基金项目(No.51078231)的经费资助。 【关键词】：预应力混凝土风电塔架 优化设计 遗传算法 ABAQUS
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU378
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 研究背景11-13
• 1.2.1 风电塔架的发展现状11-12
• 1.2.2 风电塔架的结构形式12-13
• 1.3 研究现状13-18
• 1.3.1 风电塔架的研究现状13-16
• 1.3.2 风电塔架优化研究现状16-18
• 1.4 研究内容及方法18-19
• 第二章 风电塔架设计优化方法19-31
• 2.1 风电塔架设计相关规范19-21
• 2.2 风机荷载计算方法21-23
• 2.3 本文优化方法23-30
• 2.3.1 遗传算法介绍24
• 2.3.2 遗传算法原理24-27
• 2.3.3 SIPESC.OPT 软件介绍27
• 2.3.4 ABAQUS 和 Python 介绍27-29
• 2.3.5 优化思路及过程29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 预应力混凝土风电塔架优化31-47
• 3.1 预应力混凝土风电塔架截面形式优化31-37
• 3.1.1 截面几何形状优化31-35
• 3.1.2 截面加肋优化35-37
• 3.2 预应力混凝土风电塔架材料参数优化37-38
• 3.3 基于遗传算法的预应力混凝土风电塔架优化38-45
• 3.3.1 遗传算法实现39-44
• 3.3.2 优化结果与分析44-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 预应力混凝土风电塔架有限元分析47-60
• 4.1 有限元分析方法47-48
• 4.2 预应力混凝土风电塔架有限元建模48-50
• 4.2.1 塔架几何模型生成48-49
• 4.2.2 单元选择及网格划分49-50
• 4.2.3 材料参数与边界条件50
• 4.3 预应力混凝土风电塔架模态分析50-53
• 4.4 预应力混凝土风电塔架静力学分析53-58
• 4.5 本章小结58-60
• 第五章 5MW 预应力混凝土风电塔架优化设计实例60-82
• 5.1 工程概况60-65
• 5.1.1 场地选择60-61
• 5.1.2 风机选择61-64
• 5.1.3 预应力混凝土风电塔架尺寸与布置64-65
• 5.2 5MW 风电塔架设计65-74
• 5.2.1 动力特征计算66-67
• 5.2.2 风荷载计算67-71
• 5.2.3 地震作用及内力计算71-73
• 5.2.4 附加弯矩计算73-74
• 5.3 荷载组合74-75
• 5.4 预应力损失与配筋75-77
• 5.5 疲劳验算77-78
• 5.6 优化结果78-81
• 5.7 本章小结81-82
• 第六章 结论与展望82-84
• 6.1 本文主要结论82-83
• 6.2 对研究的展望83-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文88-89
• 致谢89

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