大型風力機塔架之應力分析｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	王帥幃 Shuai-Wei Wang
論文名稱：	大型風力機塔架之應力分析
指導教授：	黃俊仁
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2016
畢業學年度：	104
語文別：	中文
論文頁數：	88
中文關鍵詞：	風力機塔架、數值模擬、應力分析
外文關鍵詞：	Wind Turbine Tower, Simulation, Stress Analysis
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本研究對Harakosan (Zephyros) Z72 機型之風力機塔架進行模擬分析及應力計算。使用繪圖軟體SolidWorks繪製Z72風力機塔架模型，再使用ANSYS Workbench 14.0模擬分析軟體進行不同風速與節距角的穩態分析、不同邊界條件的模態分析與各種操作狀況的暫態分析，並求取塔架法蘭處螺栓之應力。
研究結果顯示塔架在正常操作下或IEC 61400-1規範中須滿足的特定風速下均不會造成損壞，不過在風速達IEC 61400-1規範中規定的極限風速下，中下層塔架法蘭處螺栓最大應力已超過降伏強度。在一般風力機運轉時並不會對塔架造成共振的效應，而在不同操作情形中，塔頂位置處應力變化量不大，其變化量最大處在塔底位置。

This study investigated the stresses of the Harakosan (Zephyros) Z72 wind turbine tower. The author applied SolidWorks software to rebuild the Z72 wind turbine tower model. Then, the ANSYS software was utilized to study (1) the stresses of tower under steady operation, (2) mode analysis under different boundary conditions, and (3) transient stress analysis. Also, the stresses of tower flange bolts were calculated.
The results showed that the tower wouldn’t fail under the normal operation or the special wind speeds which were defined in IEC 61400-1 specification. If the wind speed exceeded the maximum wind speed specified in IEC 61400-1 specification, the flange bolts at the middle tower would exceed its yield strength. The operation of the wind turbines doesn’t induce resonance of the tower. In different operating cases, the stress variation at the top of the tower was small, but the maximum stress variation occurred at the bottom of the tower.

摘要    i
Abstract    ii
誌謝    iii
目錄    iv
圖目錄    vii
表目錄    x
第一章    緒論    1
1-1    研究背景與動機    1
1-2    研究目的    4
1-3    風力機簡介    5
1-3-1    風力機原理    5
1-3-2    風力機機型    5
1-3-3    Vestas V80 風力機    7
1-3-4    Harakosan Z72風力機    9
1-4    文獻回顧    11
1-4-1    有限元素    11
1-4-2    風力機塔架靜態分析    11
1-4-3    風力機塔架動態分析    12
1-4-4    風力機螺栓應力分析    13
第二章    理論說明    14
2-1    IEC 61400-1    14
2-2    有限元素理論    15
2-3    疲勞分析理論    17
2-3-1    破壞理論    17
2-3-2    安全係數    18
2-4    風力機分析理論    19
2-4-1    節距角(Pitch Angle)    19
2-4-2    葉片與機艙    19
2-4-3    塔架(Tower)    20
2-5    模態分析理論[27]    21
2-6    螺栓預緊力理論    22
第三章    研究方法    24
3-1    有限元素穩態分析    27
3-1-1    前處理器(Preprocessor)    27
3-1-2    分析計算(Solution)模組    31
3-1-3    後處理器(Postprocessing)    33
3-2    模態分析    35
3-2-1    前處理器(Preprocessor)    35
3-2-2    分析計算(Solution)模組    35
3-2-3    後處理器(Postprocessing)    36
3-3    螺栓應力分析    37
3-3-1    螺栓預應力分析    37
3-3-2    螺栓最大應力計算    38
3-4    暫態分析    39
3-4-1    前處理器(Preprocessor)    39
3-4-2    分析計算(Solution)模組    39
3-4-3    後處理器(Postprocessing)    40
第四章    結果與討論    41
4-1    驗證    41
4-2    風力機塔架應力分析    43
4-2-1    風力機正常運轉狀態下    46
4-2-2    風力機異常狀態下    48
4-3    風力機塔架模態分析    53
4-3-1    底部完全固定(Fixed Support)    53
4-3-2    底部彈性支承(Elastic Support)    57
4-4    法蘭處螺栓應力分析    59
4-4-1    螺栓預應力分析    59
4-4-2    螺栓最大應力計算    59
4-5    風力機塔架暫態分析    66
4-5-1    風力機啟動狀態    66
4-5-2    風力機正常停機狀態    66
4-5-3    風力機緊急停機狀態    67
第五章    結論與未來研究方向    69
5-1    結論    69
5-2    未來研究方向    70
參考文獻    71


                                

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[28] 網路資料︰台灣WORD。取自http://www.twword.com/wiki/%E8%9E%BA%E6%A0%93%E9%A0%90%E7%B7%8A%E5%8A%9B#13
[29] 網路資料︰Wikipedia。取自
https://en.wikipedia.org/wiki/Bolted_joint
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