基于ANSYS对三肢式塔架结构进行力学分析毕业论文.doc 42页

'内蒙古科技大学毕业论文基于ANSYS对三肢式塔架结构进行力学分析毕业论文目录摘要-I-Abstract-II-第一章绪论-1-1.1ANSYS软件简介与使用-1-1.2我国风能发电的现状与展望-3-1.3设计课题-6-1.3.1概述-6-1.3.2结构参数-6-第二章理论知识-8-2.1振动力学相关知识-8-2.2模态分析理论-8-2.2.1模态基础知识-8-2.2.2多自由度模态分析理论-10-2.2.3塔架振动方程的建立-11-2.2.4模态分析的意义-13-第三章利用ANSYS软件进行对塔架结构的建模与求解-15-3.1有限元模型的建立-15-3.2施加约束、受力与求解-17-3.2.1塔架所受的主要约束和荷载-17-3.2.2ANSYS软件对塔架结构的求解结果分析-18--41- 内蒙古科技大学毕业论文3.2.3应用ANSYS软件对塔架进行模态分析-20-第四章塔架的优化设计-24-4.1优化设计的相关概念-24-4.2优化设计的过程与步骤-24-4.3塔架优化设计详述-25-第五章结论-34-参考文献-35-英文翻译-36-译文-39-致谢-41-第一章绪论1.1ANSYS软件简介与使用ANSYS（AnalysisSystem）是一个功能强大而灵活的大型通用有限元软件，能够进行包括结构、热、流体、声场、电磁场等多学科的研究，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、点子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、以及日用家电等一般工业及科学研究领域，是世界上拥有用户最多、最成功的有限元软件之一。ANSYS提供的的分析类型主要有以下几种。1、结构静力学分析用于分析结构由静载荷引起的变形、应力和应变。静力学分析适合求解惯性和阻尼对结构影响不显著的问题。ANSYS的静力学分析不仅可以进行线性分析，还支持非线性分析，例如塑性变形、蠕变、大变形及接触问题的分析。2、结构动力学分析-41- 内蒙古科技大学毕业论文用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，并考虑载荷随时间的变化、阻尼和惯性的影响，这类载荷包括交变力（旋转机械）、冲击力（冲击或爆炸）、随机力（地震）及其他瞬态力（诸如桥上的运动载荷）。ANSYS可求解动力学分析问题，如瞬态动力、模态、谐波响应及随机振动响应分析等。2、结构非线性分析结构非线性分析导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化，ANSYS可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性等。4、热力学分析ANSYS的热力学分析可以模拟热传导、对流和辐射，可以进行稳态和瞬态热分析、线性和非线性分析，可以模拟材料的凝固和溶解过程，可以进行热应力计算。5、电磁场分析ANSYS的电磁场分析可以进行一维、二维随时间变化的低频电磁场的分析。电磁场分析可以解决电磁场的相关问题，如电容、电感、涡流、电磁场分布、运动效应等。6、流体动力学分析ANSYS的流体动力学分析可用来解决二维、三维流体动力场问题，可以进行传热或绝热、层流或湍流、压缩或不可压缩等问题的研究。7、声场分析声场分析主要用于研究流体介质中声音的传播问题，以及流体介质中固体结构的动态响应问题。8、压电分析用于分析二维或三维结构对交流、直流或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应，这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析，包括静态分析、模态分析、谐波响应分析和瞬态响应分析。ANSYS的高级功能如下。1、多物理场耦合分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场不可能得到正确结果。例如在压电分析中，需要同时求解电压分布（电厂分析）和应变（结构分析）。耦合场分析适用于下列类型的相互作用-41- 内蒙古科技大学毕业论文。1、优化设计优化设计是一种寻找确定最优方案的技术，设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸（厚度）、形状（如过渡圆角的大小）、支撑位置、制造费用、自然频率和材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项均可做优化设计。2、拓扑优化拓扑优化是指形状优化，也称为外形优化。其目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案，这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。用户只需要给出结构的参数（材料特性、模型和载荷等）和要省去的材料百分比，程序即自动进行优化。3、单元生死如果在模型中加入（或删除）材料，则其中相应的单元就“存在”或“消亡”。单元生死选项用于在这种情况下杀死或重新激活单元，该功能主要用于钻孔（如开矿和挖隧道等）、建筑物施工过程（如桥梁的建筑过程）及顺序组装（如分层的计算机芯片组装）等。5、可扩展功能（UPF）ANSYS的开放结构允许连接自己的FORTRAN程序和子过程。1.2我国风能发电的现状与展望截至2009年底，中国国家气象局公布了一项新风评，该风评建立在50米高的测量基础上。这表明我国有潜力发展第三类风2380GW（平均风功率密度>300W/m₂）和第四类风（平均风功率密度>400W/m₂），海上第三类风的潜力（水深5~25米）可达200GW。2005~2009年中国风能投资79.7亿美元，占清洁能源总投资的71%。风能领域的巨额投资，主要是由于政府采取的举措，如，当地政府的要求、对发展可再生能源的优先权、强制性市场份额和“相应的承诺”。哥本哈根气候大会后，风电已成为中国大陆实现节能减排目标的主力军。全球风能协会（GWEC）和中国可再生能源学会风能专业委员会公布了2009年风电产业的统计数字，-41- 内蒙古科技大学毕业论文2009年，我国风电新增装机容量1380.3万千瓦，增长率连续6年超过100%，居世界第一，成为增长速度最快的国家。累计装机容量达到2580万千瓦，总装机容量是2008年（12.2GW）的两倍之多，超过德国，位列全球第二，仅次于美。从风电装机容量分布来看，累计装机容量超过100万千瓦的省有9个，超过200万千瓦的省有4个。其中，内蒙古自治区累计装机容量920万千瓦，河北省278万千瓦，辽宁省242万千瓦，吉林省201万千瓦。可以看出，我国风电场分布与风资源的分布情况相吻合，主要分布在三北地区和东南沿海。2009年，我国继续保持风电设备生产和风电场建设快速发展的强劲势头。据统计，2009年我国除台湾省外新增风电装机10129台，装机容量1380.32万kW，超过美国排名全球第一。与2008年当年新增装机615.37万kW、累计装机1201.96万kW相比，2009年新增装机增长率达124.3%，累计装机增长率达114.8%，连续第四年翻番。参照全球风能理事会（GWEC）对全球风电装机的统计数据，2009年底我国除台湾省外累计风电装机容量2580.5万kW，全球排名由2008年的第四位上升到第二位。科技部于2010年10月4日发布的《中国2010发展中的清洁能源科技》报告称，中国将风力发电作为调整能源结构，应对气候变化的主要替代能源之一。目前，中国研发的1.5兆瓦风电机组已实现产业化，广泛应用于风电场建设，3兆瓦风电机组已实现并网运行。下一步，中国将针对万兆瓦级特大型风电场建设，重点解决5兆瓦以上级别海上风电机组整机设计技术和关键零部件设计制造和并网输配技术，并在大型风电场运营效率、装备维护技术方面取得突破。随着风电技术进步和国家产业政策的扶持，风电建设快速发展，中国风电装机容量年均增长达70%以上。“2010年中美风电发展谁更给力”-41- 内蒙古科技大学毕业论文论坛显示，中国成为全球最大风电装机国，截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。从2005年开始，中国的风电总装机连续5年实现翻番。2009年，中国以2580万千瓦的总累计装机容量超过德国，成为世界第二，但与排名第一的美国仍有近1000万千瓦的差距。2010年，中国风电发展势头迅猛，总装机比上年增长约62%。而美国新增容量仅为500万千瓦左右。中国首次登上世界第一的位置。据《中国风电发展报告2010》预测，2020年中国风电累计装机容量可以达到2.3亿千瓦，相当于13个三峡电站；总发电量可以达到4649亿千瓦时，相当于取代200个火电厂。新华社于2010年11月13日宣布，中国已超过美国，拥有世界最大风力发电能力基础设施。中国可再生能源工业协会表示，2010年中国设置了16GW风力发电能力，比上年增加62%。为此，总设置风力发电能力现已达41.8GW。据全球风能理事会的统计数据，相对比较，2010年美国总设置风力发电能力增加约5GW，使总能力提高到40.2GW。据中国风能理事会的统计数据，至2010年8月，中国并网的风力发电能力约为22.94GW。中国正在提高风力发电场的并网能力，目标是到2015年使风力发电并网能力达90GW。中国将在甘粛省建设第一阶段5GW酒泉风力发电项目，以及继续推进新疆2GW哈密风力发电项目、内蒙古2GW开鲁风力发电项目和吉林省1.5GW通榆风力发电项目。国家能源局提出，2011年继续推进大型风电基地建设，计划开工建设酒泉二期500万千瓦、新疆哈密200万千瓦、内蒙古开鲁200万千瓦等项目，争取并网风机累计达5500万千瓦。国家能源局从我国部分省市挑选了六个风能资源最优化的地区，为其设立2020年的发展目标。六个地区以及各自的风电目标分别为：•新疆的哈密（10.8GW）•内蒙古（内蒙古东部20GW；内蒙古西部37GW）•甘肃酒泉（12.7GW，此目标开始于2009年八月份）•河北（北部地区和沿海地区14GW）•吉林（23GW）•江苏（海上3GW陆地7GW）此“风电基地”计划旨在在我国六省建立装机容量可达127.5GW的风力发电场，该计划目前正在顺利进行当中，其中一些省市已开始动工。“风电基地”计划将有助于推动国家政府的中期和长期发展计划，即新能源发电2020年达到3%的目标。根据大陆各省规划初步成果，至2015年，上海、江苏、浙江、山东等地将具备海上风电装机潜力1500万千瓦，至2020年将达3500万千瓦。-41- 内蒙古科技大学毕业论文2020年前，中国大陆将在江苏南通、盐城、上海、山东鲁北、浙江杭州等海湾，重点建设几个百万千瓦级大型海上风电基地，并初步形成江苏、山东沿海千万千瓦级风电基地。绿色和平组织（Greenpeace）和全球风能理事会(GWEC)与中国可再生能源产业协会（ChineseRenewableEnergyIndustriesAssociation，CREIA）于2010年10月13日发布“中国风电展望2010”报告，认为中国风力发电设置能力到2020年将达到230GW。2009年，中国引领世界新安装的风能设备，达到了13.8GW（10129台涡轮机）能力。在总能力方面，中国位居第二，为25.8GW。中国风电的快速增长，受到对能源不断增长的需求，以及政府加快发展低碳技术的双重推动。中国的风电发展速度显著，在2005年，只有一家中国公司跻身于世界前15家风电设备制造商，而目前已达到5家。该报告预测，到2020年，中国的风力发电总能力将达到至少150GW，可能达到高达230GW，而如果实现，则可望减少4.1亿吨二氧化碳的排放量，或1.5亿吨煤的消费量。这预计的230GW风能将等于三峡大坝能力的13倍，有能力可取代200座燃煤火电厂发出的电力。据全球风能理事会在“第八届亚洲风能大会暨国际风能设备展”于2011年2月23日所做的“超前情景”分析，预计中国的风电装机容量将会在2015年达到1.3亿千瓦，2020年达到2.5亿千瓦，2030年超过5亿千瓦。1.3设计课题1.3.1概述此风力发电塔模型主体采用自立式塔架结构。结构由木制构件构成；通过对构件施加竖向荷载和横向荷载，并且由撑杆使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构，荷载主要由撑杆和斜杆螺旋式传给支座。由于综合应用了刚性构件抗弯抗压刚度高，从而自立式塔架结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较好，承受荷载的能力比较强等特点。整个模型主体由三根刚性竖直杆构件，数根横向刚性直杆，数根水平、斜向支撑构件连接而成。-41- 内蒙古科技大学毕业论文该模型充分体现了“创新、轻巧、实用”的时代趋势，且结构严谨，材料得到充分的利用，较好地实现了承载能力合理发挥，材料消耗恰到好处的结构设计原则。1.3.2结构参数塔身结构的尺寸及参数定向木结构风力发电塔，塔身高800mm，叶片组成的叶轮：直径为800mm。塔身为主要结构：塔身高800mm，该结构水平截面为三角形，迎风面为梯形，上底等边三角形边长为150mm，下底等边三角形边长300mm，该结构由两种截面（6mm×6mm，6mm×2mm）的木质杆件组成。由于木质材料有顺纹和横纹两种不同材质的弹性模量，在此论文中采用的木质材料的弹性模量E=1.1×MPa，密度0.54×kg/。模型以150mm×150mm×58.446mm的钢制三棱柱，等效为发电机的实体结构。刚性材料E=2×MPa,密度7.85×kg/。-41- 内蒙古科技大学毕业论文第二章理论知识2.1振动力学相关知识振动现象是机械结构常遇到的问题之一。大部分结构都不希望有振动发生，振动会造成结构疲劳而破坏。然而结构本身具有某种程度的刚度，故其自然振动频率及模态是机械设计必须了解的特性之一。进而避免外力频率和结构自然频率相同，以防止共振现象。模态分析主要用于决定结构的固有频率和振型，这是结构受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，模态分析也是其他动力学分析，如瞬态动力学分析，谐响应分析和谱分析的起点。当结构受到某种外界干扰后会产生位移或速度，但外界干扰消失后结构将在平衡位置附近继续振动，这种振动称为结构的自由振动。结构自由振动时的频率称为结构的自振频率。任何物体都有其固有的频率，与刚度和质量有关，如果以相同频率的外力激振会产生共振。只要外界激振力的频率和物体的固有频率相同就产生共振。共振的危害在于它使振幅变的特别大，假如超过物体的承受能力那物体就要解裂了。2.2模态分析理论2.2.1模态基础知识机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各种实际结构振动的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与胯动响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。-41- 内蒙古科技大学毕业论文近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析激励方法。试验模态分析是人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号，用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。数据采集。SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振形数据。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本较高。时域或频域信号处理。例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。建立结构数学模型根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数依据。目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。参数识别按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型，激励方式不同（SISO、SIMO、MIMO），相应的参数识别方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，即使用较简单的识别方法也可能获得良好的模态参数；反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，则识别的结果一定不会理想。（4）振形动画-41- 内蒙古科技大学毕业论文参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振形。由于结构复杂，由许多自由度组成的振形也相当复杂，必须采用动画的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程。而支持这个过程的除了激振拾振装置、双通道FFT分析仪、台式或便携式计算机等硬件外，还要有一个完善的模态分析软件包。通用的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何物征，设置多种坐标系，划分多个子结构，具有多种拟合方法，并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画显示。2.2.2多自由度模态分析理论模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。具有n个自由度的无阻尼振动系统的振动微分方程可表示为：（2-1）令则（2-1）式成为：（2-2）设解的一般形式为：（2-3）将式（2-3）代入式（2-2）可得特征值方程：（2-4）该方程有非零解的充要条件是：（2-5）解式（2-5）即得的个互异正根(=1,2,)代入式（2-4），则可得到关于中元素的具有个独立方程的代数方程组，共求得个线性无关的非零矢量的比例解。进行归一化以后，称为主振型（模态振型、模态矢量或模态），即为固有振型，此时为实矢量将个特征矢量按列排成阶阵可得系统的特征矢量矩阵此时特征矢量为模态矢量或模态矩阵，即为模态振型。-41- 内蒙古科技大学毕业论文2.2.3塔架振动方程的建立单自由度和多自由度有很多相同点，如阻尼衰减振动、强迫振动，其规律相同，但多自由度振动有单自由度振动不具备的特点，那就是固有频率增多，振动时各自由度运动幅度保持一定比例关系，形成振型等。本设计将塔架划分为五节，其动力学简化模型如图2.1所示。图2.1动力学简化模型该模型是一个五自由度的系统，刚度有五个变化，由根部的广义质量和刚度系数，到、和塔顶的。根据力矩平衡可得方程如下:（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）-41- 内蒙古科技大学毕业论文将式（2-6）至（2-10）写成矩阵形式：（2-11）（2-12）上述矩阵方程中，质量矩阵为对角振，刚度矩阵为对角阵。总的来说，质量、刚度矩阵都是对称矩阵。对于五个自由度的矩阵系统，将有五个固有频率和五个固有振型。当系统以任何一个固有频率振动时，相对应有一种振型，此时的振动是简谐振动。方程（2-12）的通解形式为：（2-13）那么：（2-14）（2-15）同理：（2-16）（2-17）（2-18）（2-19）（2-20）（2-21）（2-22）-41- 内蒙古科技大学毕业论文（2-23）将(2.14)至(2.23)代入(2.12)，可得特征方程:（2-24）可简写为:（2-25）其中质量矩阵刚度矩阵公式（2-25）若振幅为非零解，则有行列式,即：（2-26）展开行列式，即可解得各阶固有频率。2.2.4模态分析的意义-41- 内蒙古科技大学毕业论文模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已趋成熟,是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用,它和有限元分析技术一起成为结构动力学的两大支柱模态分析作为一种“逆问题”分析方法，是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。-41- 内蒙古科技大学毕业论文第三章利用ANSYS软件进行对塔架结构的建模与求解3.1有限元模型的建立图3.1完成建模此模型塔架采用：Beam3Delastic4单元，此单元截面分别是：6mm×6mm和6mm×2mm的矩形截面；发电机模型采用：SolidBrick8node45单元，此发电机模型结构是：150mm×150mm×58.446mm的钢制三棱柱。如图3.1所示，模型是通过关键点、直线和体建立完成的。-41- 内蒙古科技大学毕业论文图3.2划分网格选择单元类型，设置单元尺寸，分别采用自定义和自由划分网格两种形式，生成有限元网格。如图3.2所示，显示截面形状：沿Z轴正方向的3根长直杆、与实体耦合处组成的三角形直杆，采用截面形状6mm×6mm；其余21根直杆，采用截面形状6mm×6mm；实体三棱柱。为合理划分有限元分析中的网格，可利用一下技术。（1）利用自适应网格划分产生可满足能量误差估计准确的网格（适用于线性结构静力或稳态热问题，可接受的误差水平依据用户的分析要求），自适应网格划分需要实体建模；（2）与先前独立得出的试验分析或已知解析解相比较，对已知和算得结果偏差过大处进行网格细化。对所有四面体组成的面或体网格可用NREFINE、EREFINE、LREFINE、AREFINE或MainMenuProprocessorMeshing-ModifyMeshRefineAt-entitytype命令进行局部网格细化；-41- 内蒙古科技大学毕业论文（1）执行一个认为是合理网格划分的初始分析，然后在危险区域利用两倍多网格重新分析并比较结果。如果近似，则网络足够；否则应继续细化网格；（2）如果细化网格测试显示只有模型一部分需要更细的网格，可以对模型进行子建模放大危险区域。3.2施加约束、受力与求解3.2.1塔架所受的主要约束和荷载图3.3施加约束和受力如图3.3所示，分别在1、2、3号关键点施加约束，施加全约束；在5号关键点施加沿Y轴正方向的力，其值为22.608N。-41- 内蒙古科技大学毕业论文3.2.2ANSYS软件对塔架结构的求解结果分析图3.4变形图图3.5位移图由变形图和位移图可以看出，求解完成后，塔架的最大位移值是0.457mm。-41- 内蒙古科技大学毕业论文图3.6应力图如图3.6所示，塔架的最大应力值是1.97MPa。图3.7应变图-41- 内蒙古科技大学毕业论文3.2.3应用ANSYS软件对塔架进行模态分析图3.8一阶模态图对于一阶模态分析图，可知它的振动是在平行于XY的平面内振动，由一阶模态图知其频率为。图3.9二阶模态图-41- 内蒙古科技大学毕业论文对于二阶模态分析图，可知它的振动是在平行于YZ的平面内振动，由二阶模态图知其频率为。图3.10三阶模态图对于三阶模态分析图，可知它的振动方向是沿着Y轴发生扭转振动，由三阶模态图知其频率为。-41- 内蒙古科技大学毕业论文图3.11四阶模态图对于四阶模态分析图，可知它的振动是在Y轴方向进行上下振动，由四阶模态图知其频率为。图3.12五阶模态图-41- 内蒙古科技大学毕业论文对于五阶模态分析图，可知它的振动方向是在XY平面内发生中部弯曲振动，由五阶模态图知其频率为。因此，由以上分析可知，进行模态分析时主要考虑的就是其一阶和二阶固有频率。-41- 内蒙古科技大学毕业论文第四章塔架的优化设计4.1优化设计的相关概念优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术，最优设计指一种方案可以满足所有设计要求，而且所需支出（如重量、面积、体积、应力及费用等）最小，最优设计方案即最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，如尺寸（如厚度）、形状（如过渡圆角的大小）、支撑位置、制造费用、自然频率、以及材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项均可做优化设计。ANSYS提供两种可处理绝大多数优化问题的优化方法，其中零阶方法是一个完善的处理方法，可有效地处理大多数的工程问题；一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更适合于精确的优化分析。对于这两种方法，ANSYS提供了一系列分析——评估——修正的循环过程。即分析初始设计，基于设计要求评估分析结果，然后修正设计。重复这一循环过程，直到所有的设计要求都满足为止。ANSYS还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率，例如可以指定随机优化分析的迭代次数，随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值。在ANSYS的优化设计中包括的基本定义有设计变量、状态变量、目标函数、合理和不合理的设计、分析文件、迭代、循环，以及设计序列等。4.2优化设计的过程与步骤ANSYS优化设计可以通过批处理方式和GUI方式实现，一般来说，如果用户对于ANSYS命令相当熟悉，可选择用命令输入整个优化文件并通过批处理方式优化。对于复杂且需要大量机时的分析任务（如飞仙线性），这种方法更有效率；GUI方式方法具有更大的灵活性，而且可以实时看到循环过程的结果。使用GUI方式时首先要建立模型的分析文件，然后可交互式使用优化处理器的功能以确定设计空间，便于后续优化处理。这些初期交互式的操作可以帮助用户缩小设计空间的大小，是优化过程得到更高效的效率。-41- 内蒙古科技大学毕业论文优化设计通常包括以下步骤，这些步骤根据所用优化方法不同有细微差别。（1）生成循环所用的分析文件，其中必须包括整个分析的过程并满足以下条件。参数化建立模型（PREP7）；求解（SOLUTION）；提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26）。（2）在ANSYS数据库中建立与分析文件中变量相对的参数，该步骤不是必须的（BEGIN或OPT）。（3）进入OPT处理器指定分析文件。（4）指定优化变量。（5）选择优化工具或优化方法。（6）指定优化循环控制方式。（7）进行优化分析。（8）查看设计序列结果（OPT）和后处理（POST/POST26）.4.3塔架优化设计详述本论文的优化目的是，在材料最省，即塔架模型最轻的情况下，满足题目所给的许用位移和许用应力的值。指定优化变量：两个截面尺寸分别为6mm×6mm和6mm×2mm；优化满足条件：（1）位移最大值小于等于7mm；（2）应力最大值小于等于10MPa。经过优化设计，分析结果得出模型的截面由原来的6mm×6mm和6mm×2mm,变为3mm×3mm和2mm×2mm。其最大位移值由原来的0.457mm变为1.71mm,应力值由原来的1.97MPa变为7.51MPa。由结果来看，模型的强度是降低了，可是在此基础上它仍然满足许用位移和许用应力的要求，所以此结果符合本次论文的要求。重新建立模型，采用优化后的数据。下面就详述塔架优化分析。优化后的模型塔架采用：Beam3Delastic4单元，此单元截面分别是：3mm×3mm和2mm×2mm的矩形截面；发电机模型仍然采用：SolidBrick8node45单元，此发电机模型结构是：-41- 内蒙古科技大学毕业论文150mm×150mm×58.446mm的钢制三棱柱。图4.1优化——完成建模图4.2优化——划分网格-41- 内蒙古科技大学毕业论文图4.3优化——施加约束和受力图4.4优化——变形图-41- 内蒙古科技大学毕业论文图4.5优化——位移图由优化后的位移图可以看出，塔架最大位移值为1.71mm。图4.6优化——应力图-41- 内蒙古科技大学毕业论文由优化后的应力图可以看出，塔架最大应力值为7.51MPa。图4.7优化——应变图图4.8优化——一阶模态图-41- 内蒙古科技大学毕业论文对于一阶模态分析图，可知它的振动是在平行于XY的平面内振动，由一阶模态图知其频率为。图4.9优化——二阶模态图对于二阶模态分析图，可知它的振动是在平行于YZ的平面内振动，由二阶模态图知其频率为。-41- 内蒙古科技大学毕业论文图4.10优化——三阶模态图对于三阶模态分析图，可知它的振动方向是沿着Y轴发生扭转振动，由三阶模态图知其频率为。-41- 内蒙古科技大学毕业论文图4.11优化——四阶模态图对于四阶模态分析图，可知它的振动是在Y轴方向进行上下振动，由四阶模态图知其频率为。图4.12优化——五阶模态图-41- 内蒙古科技大学毕业论文对于五阶模态分析图，可知它的振动方向是在XY平面内发生中部弯曲振动，由五阶模态图知其频率为。通过整章的有限元优化设计分析，了解ANSYS软件通过优化设计，寻找确定最优设计方案的技术，熟练优化设计的过程与步骤。-41- 内蒙古科技大学毕业论文第五章结论本论文通过运用ANSYS软件对其进行一系列的求解过程，采用理论分析和图形模拟相结合的方法，由ANSYS软件生成的图片来确定其：应力、应变和位移是否符合理论情况。（1）在通过对以上的求解中，发现应力、应变、位移，变形情况基符合理论要求。（2）运用ANSYS进行仿真模拟，可以直观而形象地反映实体受力后的应力、应变以及位移变化。（3）在分析过程中运用ANSYS进行优化设计，根据内力满足条件，使得模型更加合理化。通过对上述的总结可以得到以下结论：（1）本文是在静态分析的基础上，对发电三肢式塔架进行静态分析，所得的数据对于静态也是有实际意义的。可以分析结构受载情况下的位移、变形以及应力，从而了解结构的危险截面，加以改进。（2）通过模态分析，我们可以了解到三肢式塔架的自振频率，分析结构系统的振动特性等为结构的优化设计提供依据。通过以上的分析，在今后的利用软件进行分析和计算过程中，我们将会熟练的应用到实际生活中的各种例子，以便求出更精确方便的设计方案。-41- 内蒙古科技大学毕业论文参考文献1.通用有限元分析ANSYS7.0实例精解/倪栋等编著---北京；电子工业出版社，2003.10ISBN-7-5053-9209-32.王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社.3.（美）Saeedmoaveni(萨德莫维尼）有限元分析-ANSYS理论与应用[M]．OUYang—yu(欧阳宇)，WANGSong(王崧)译．北京:电子工业出版社,2003．13-154.曹树谦，张文德，萧龙翔．振动结构模态分析：理论、实验与应用．天津：天津大学出版社，20015.张朝晖.ANSYS结构分析及实例解析[M]，北京:机械工业出版社，2005.3.6.刘力,李明万,贾粮棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的应用[J].黄石理工学院学报-2007年5期：31-34,417.赵经文，王宏钰编著.结构有限元分析.第二版.北京：科学出版社，20018.KamounBadreddinne，HelaliAli，AfungchuiDavid.OptimumProjectforhorizontalaxiswindturbines‘OPHWT，【Jl.RenewableEnergy，2005，30(13):2019一2043】9.李本立，安玉华．风力机气动弹性稳定性的分析．太Ri能学报，1996。17(4)：314—320．10.邢静忠，张军.ANSYS7.0与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2004.25(1)：72-76．11.EdwardC．Smith，InderjitChopra．AeroelasticResponse，Loads，andStabilityofaCompositeRotorinForwardF1ight．AI从Journal．1993：42—48．12.李德源，叶枝全，包能胜．风力机旋转风轮振动模态分析．太阳能学报，200413.金斯伯格．机械与结构振动：理论与应用．北京：中国宁航出版社，200514.邓凡平编著.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M]，人民邮电出版社.15.卞于中．风力机叶片气动弹性实验研究．气动实验与测餐控制．1994，8(3)：40—47．16.邵文秋.ANSYS8.0有限元分析[M].中国铁道出版社,2004.-41- 内蒙古科技大学毕业论文英文翻译SoilMechanicinFoundationEngineeringNoconstructionmaterialhasbothengineeringandphysicalpropertieswhicharemorevariablethantheground.Thesepropertiesvarybothlaterallyandverticallyandoftenbylargeordersofmagnitude.Thosepropertiesofparticularinteresttothefoundationengineerinclude:(1)Strengthparameters(stress-strainmodulus,shearmodulus,Poisson’sratio,cohesion,andangleofinternalfriction).(2)Compressibilityindexes(fordeformation/settlement).(3)Permeability.(4)Gravimetric-volumetric(unitweight,specificgravity,voidratio,watercontent,etc.).Someknowledgeaboutthesepropertiesallowstheengineertomakeestimatesfor:(1)Bearingcapacity.(2)Settlementsincludingboththeamountandrate.(3)Earthpressures(bothverticalandlateral).(4)Porepressuresanddewateringquantities.Muchlaboratoryworkintheareaofsoilbehaviorhasbeendoneandreportedingeotechnicalliteratureinrecentyears.Mostofthisworkhasbeendoneonsamplespreparedunderidealconditionsinthelaboratory.Thistendstoproducesampleswhichareratherhomogeneous,uniform,andgenerallylackingingeologicalagingsothatthosepropertiesofanisotropyandcementationareoftennotproduced.Afewlaboratoriesattempttoreproduceanisotropyand,butthepracticedoesnotseemtobewidespreadatpresent.Reproducingagingandenvironmentalprocessesinthelaboratorytoobtainnaturalcementationeffectsisgenerallytootime-consumingtobepractical.Testsonlaboratorysamples,however,constitutealargepartofthedatabase-41- 内蒙古科技大学毕业论文onwhichempiricalcorrelationsandfieldpredictionsaremade.Whenonetakesintoaccounttheactualsoilmakeup,itsgeologicallyobtainedproperties,andtheresultingtestdataarereliable,testdataonlaboratorypreparedsamplesmaybearlittleresemblancetofieldperformance.Severalproblemareinvolvedwithlaboratorytestingorfieldsamples,including:(1)Recoveryofundisturbedsamples.(2)Smallquantityofsamplesrelativetothevolumeofsoilinvolved.(3)Limitationsonlaboratorytestequipment(andsometimesofqualifiedpersonnel).Itisnotdifficulttoseethat“engineeringjudgment”willplayasignificantroleinthepracticeoffoundationengineering.Thetermengineeringjudgmentisnotbeingusedinthiscontexttogivedignitytoa"guess",regardlessofhowitmayappeartothecasualobserver.Theproperapplicationofengineeringjudgmentrequiresthatthefoundationengineerhaveavailableasiteprofile,soilpropertydata,andsufficientgeologicalinformationtoarriveatasafe,economical,andpracticaldecision.Incasessuchasone-storyload-bearingwallconstructionusedforbuildingsofthedepartmentstore,office,andservicestationtypewherethesoilisrelativelyhomogeneous,thenecessaryinformationmaycompriseonlytheboringlogsfromfourorfiverelativelyshallowexploratoryboring.Fora10-storybuildingthenecessaryinformationwouldnormallyhavetobemore.Wherea100-storybuildingisinvolved,theamountofinformationwouldbeveryconsiderableandmightcostontheorderof0.5to1percentofthetotalconstructioncost.Itshouldbeobviousthatinanyoftheexamplesciteditwouldbehelpfulifthefoundationengineerhadprovidedrecommendationsand/ordesignsforpreviousprojectsnearthecurrentsite.Athoroughunderstandingoftheprinciplesofsoilmechanicsintermsofstabilitydeformations,andwaterflowisanecessaryingredienttothesuccessfulpracticeoffoundationengineering.Ofnearlyequalimportanceisanunderstandingofthegeologicalprocessesinvolvedintheformationofsoilmasses.Itisnowrecognizedthatbothsoilstabilityanddeformationaredependentonthestresshistoryofthe-41- 内蒙古科技大学毕业论文mass.Ithasbeencommonuntilrecentlytoassociatefoundationengineeringsolelywithsoilmechanicsconcerns,leavingtheinterfacingelementstothestructural(orother)designer.Currenttrendsaretorecognizethatfoundationengineeringisasystemsproblemandcannotbenicelycompartmentalizedassomepersonswouldprefer.Thescienceofsoilmechanicsanditsrelationshiptogeologicalprocesseshasprogressedconsiderablyoverthepastfiftyyears.However,becauseofthenaturalvariabilityofsoilandtheresultingproblemsassociatedwithtesting,thedesignofafoundationstilldependstoalargedegreeupon“art,”ortheapplicationofengineeringjudgment.-41- 内蒙古科技大学毕业论文译文基础工程中的土力学没有任何一种建筑材料的工程性质和物理性质像土那样不匀称。而且土的这些性质在横向和竖向都不相同，其变化的数量级往往比较大。基础工程师特别感兴趣的那些性质包括：（1）强度参数（应力-应变模量、剪切模量、泊松比、内聚力和内摩擦角）。（2）压缩性指标（变形/沉降）。（3）渗透性。（4）重量-体积方面的数据（容重、比重、孔隙比、含水量等等）。掌握了关于上述这些性质的知识，可以使工程师能够对一下各方面做出估算：（1）承载能力。（2）沉降，包括数量和速率两方面。（3）土压力。（4）孔隙压力和抽水量。近年来，在实验室内进行了许多土的性质方面的研究工作，并已经在岩土工程文献中发表。在这些工作中，大多数是采用在实验室中的理想条件下制备的图样进行的。这样容易制成颇为各向同性、均质的试样，通常缺乏地质时效的影响，因此一般不会形成各向异性和胶结作用这些性质。少数实验室试图仿制各向异性，但是这种做法目前看来并不广泛。在实验室内再现时效和环境过程，以获取自燃胶结效果，通常会因为花费太多的时间而不切实际。然而大量的经验关系和进行现场鱼的所依据的数据库，主要是来自采用实验室试样所做的试验。当考虑到实际土层的组成、其地质因素的性质以及很难取得所受到的干扰小到足以使试验数据可靠的试样，所以实验室制备的土样的实验数据同现场的土样很少有相似之处。实验室试验或者现场土样涉及到几个问题，其中包括：（1）没有受到扰动土样的取得。（2）相对涉及的土的体积而言，土样数量较少。-41- 内蒙古科技大学毕业论文（1）室内试验设备的限制（有时受到缺少合格的人员的限制）。在基础工程实践中，不难看出“工程判断”起着重要的作用。不管一位漫不经心的旁观者如何看待，工程判断的含义绝不是为“猜测”假装威严。正确地运用工程判断要求基础工程师要有场地的土质剖面、土的性质数据和足够的地质资料，以便于做出一个安全、经济和实际的决策。在某些情况下，例如单层的商店、办公室和服务站等建筑物的承重墙处的土质比较均匀，则需要的资料可仅限于由四、五个比较浅的勘探孔得出的钻探记录。一个10层的建筑物则需要更多的资料。如果涉及到一个100层的建筑物，则所需要的资料会相当多，并且可能会花费整个建筑物成本的0.5%~1%。显然在上述任何一个例子中，如果基础工程师曾经对现场附近的以往的工程提供过建议和/或进行过设计，则对目前的工程将是有帮助的。彻底掌握土力学中关于稳定、变形和水流等各项原理是基础工程成功的必要条件。了解土体形成所涉及的各种地质过程也几乎同等重要。现在已经认识到土体的稳定和变形都依赖于土体所承受的应力的历史。直到不久之前，仅仅将基础工程与土力学相联系，而将交界面构件让给结构（或其他）工程师去处理的现象还很常见。最近的趋势是认识到基础工程是一种系统的课题，不像有些人所倾向的那样，能将其很好地隔化。在过去的50年中，土力学这门科学及其与地质过程的关系取得了很大的进展。然后，由于土的自然变异性以及因此而造成的测试问题，试基础的设计在很大程度上仍然靠“技能”或运用工程判断。-41- 内蒙古科技大学毕业论文致谢大学生活一晃而过，回首走过的大学四年，心中倍感充实。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助。首先我要向我的指导老师顾永强老师致以深深的谢意，感谢顾老师在论文选题及整个论文完成过程中给予我的悉心指导。在毕业设计期间，我遇到很多问题，顾老师总是给我仔细讲解，同时给我推荐了好多有用的书籍与文献，拓宽了我的思路，使我能够顺利完成毕业论文。老师严谨的工作作风、渊博的学识、诲人不倦的师德、诚恳待人的品德使我永生不忘。感谢力学教研室的各位老师在毕业设计期间给予的指导，也感谢他们对我大学四年以来的教育，使我学到很多知识和人生经验。感谢我的同学，他们给我的毕业论文提出了很多很好的意见和建议，也帮助我解决了论文中遇到的不少困难，使我能够顺利完成论文。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。 最后感谢内蒙古科技大学四年以来给予我学习与生活的平台，感谢内蒙古科技大学。谢谢！-41-'