最新全国大学生结构设计竞赛计算书汇总

2009全国大学生结构设计竞赛计算书目录1设计说明 (1)2总装配图 (2)3叶片设计及构件图 (2)4塔架设计、构件图及主要连接图 (4)4.1发电塔架设计 (4)4.2 结构几何与材料属性的确定 (5)4.3 塔身构件图 (6)4.4 主要连接图 (7)5水平风荷载计算 (9)6 结构变形计算 (10)6.1 有限元模型的建立 (10)6.2 分析假定 (11)6.3位移计算结果 (12)7结构承载力计算结果 (13)7.1强度验算 (13)7.2稳定性分析（对压弯柱） (14)8模型详图与材料预算 (15)参考文献 (16)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截面尺寸（mm）抗拉强度 (MPa) 弹性模量E（MPa）W551 50×1，2×2，6×2，6×630 1.0×1044.3 塔身构件图根据对结构的传递路径分析，我们确定了结构各杆件的截面型式与尺寸。

结构顶部横梁①采用矩形截面，高6mm，宽2mm。

其它横梁②采用T形截面，T形截面翼板宽6mm，腹板高4mm，厚1mm。

柱③采用正三角形箱型截面，边长10mm，厚度1mm。

考虑柱子受轴力较大，为增加立柱的稳定性，在柱子中每隔40mm增设一横隔板，横隔板厚度为1mm。

腹杆④采用正三角形箱型截面，边长为5mm，厚度1mm。

腹杆采用T形截面，与②相同。

风力发电塔的顶部正三角形截面边长为100mm，底部边长为200mm，其尺寸和构件如图9-10所示。

图9 塔架尺寸图10 塔架构件图4.4 主要连接图顶部横梁与立柱连接典型结点详图图11顶部斜腹杆与立柱连接典型结点②详图图12 顶部横梁与立柱连接典型结点①详图图13 T形截面斜腹杆交叉连接结点6x2横梁7102 6立柱R4.5R2图14 塔架柱脚安装连接图柱子与塔架安装底板连接如图14所示，叶片与连接件连接节点图15所示。

图15 塔架柱脚安装连接图5水平风荷载计算本风力发电塔承受的主要荷载为水平向的风荷载。

风荷载主要包括两个部分，一个部分是叶片部分的风荷载；另外一部分是塔架结构的风荷载。

经过反复调试，最后本风力发电机选用三片叶片。

每个叶片的面积约为2800mm 2。

对于叶片，风荷载的压强近似计算公式为212p v ρ=(1) 其中，p 为风压，单位为N/m 2；ρ为空气密度，近似取为1.2930kg/m 3；v 为风速，竞赛中给定，三级风速分别为4m/s ，6.8m/s 和9m/s 。

其中比赛中保证在第二级风速下，发电塔的刚度要进行测量，同时保证在第三级风速下结构不倒塌。

叶片的风荷载计算公式为=⨯⨯⨯ (2)P p Aμβ其中，P为叶片风荷载，单位为N；A为叶片面积；μ为叶片体型系数，这里近似取1；β为风振系数，考虑结构刚度较好，风速较低，这里近似取1。

塔架结构的风荷载也可按照公式(2)来计算，体型系数μ可按照建筑结构荷载规范GB50009-2001(2006版)中表7.3.1中项次34塔架类查取。

其中风向考虑为三角形风向④。

挡风系数φ为0.15，查表可得风载体型系数为2.3。

塔架的风振系数可近似取为1。

6 结构变形计算结构承受竖向重力荷载和水平风荷载作用。

竖向荷载主要包括发电机自重、叶片自重和塔架自重。

发电机自重为3700g。

6.1 有限元模型的建立图16有限元模型斜视图根据高耸结构设计规范GBJ-135-90，对于塔架结构，在进行结构内力分析时应按作为空间桁架结构进行计算，但由于本塔架为木结构，节点处连接主要靠胶水进行粘连，按照刚接计算较为合理。

所以本塔架结构在进行内力分析时，采用空间刚架结构进行计算。

且本结构为空间结构，涉及杆件较多，具有多次超静定的特性，通过手工计算难以获得其准确的计算结果。

为此，我们根据确定的结构型式、杆件截面以及材料属性等设计参数，在大型通用有限元分析程序ANSYS中建立结构的分析模型。

分析时，刚架横梁、联梁、立柱以及斜腹杆采用Beam44梁单元，结构的空间三维有限元模型如图16所示，6.2 分析假定（1）风力发电塔结构固定于塔架安装底板上。

发电塔柱底通过螺栓固定，根据其约束情况，在结构分析模型中，三个柱子的柱底节点约束取为理想铰接约束。

（2）所有结构构件均在弹性范围内工作，即计算时不考虑结构的材料非线性，但为了提高位移计算结果的精确性，分析时考虑结构的几何非线性影响，即打开大变形效应开关，将NLGEOM设为ON。

（3）根据竞赛试验要求，所施加的荷载工况为：工况1-在第二级风荷载作用下计算结构变形；工况2-在第三级风荷载作用下结构满足承载力要求。

6.3位移计算结果图17 第二级风荷载作用下的水平向(X向)位移云图第二级水平风荷载作用下的水平(X向)位移计算结果如图17所示。

最大水平(X向)位移发生于柱的顶部，最大水平(X向)位移非常小，仅为0.22 mm。

图18 第二级风荷载作用下的水平向(Y向)位移云图第二级水平风荷载作用下作用下的水平(Y向)位移计算结果如图18所示。

由于该方向为风荷载的主要作用方向，因此Y向位移比X向位移大，最大位移为3.50mm，同样发生于柱的顶部，可见结构的受力特性接近于悬臂梁。

此外，根据风荷载的方向，将三角形电塔的底边设置与来流风向垂直，以结构刚度最强方向来抵抗风荷载，是非常合理的。

7结构承载力计算结果7.1强度验算结构在水平第三级荷载作用下的最大应力云图如图19所示，其中结构最大压应力达到-12.25MPa，位于背风一侧的柱子底部。

最大拉应力位于迎风一侧柱子底部，为24.45Mpa。

最大应力都小于木材的抗拉强度，满足强度要求。

图19 第三级风荷载作用下的结构最大应力云图7.2稳定性分析（对压弯柱）稳定性分析参考钢结构稳定分析原理处理 平面内稳定计算公式为：()max 3010.8ty y y xx Ex by y RM f N M f A W N N W ββσηφφγ=++≤==-平面外稳定计算公式为：()3010.8my y y tx xbx x y Ex RM f N M f A W W N N ββσηφφγ=++≤==-根据上述公式，对受压状态下的各构件进行了验算，皆满足要求。

8模型详图与材料预算根据结构设计方案，考虑到加工要求，根计算数提供结构杆件的详图与下料统计预算表如下所示。

结构的整体图与节点详图如前面的图20中所示。

62横梁①采用矩形截面1416横梁②采用T 形截面1XY ZNOV 23 200910:04:51VOLUMES TYPE NUM柱③截面详图腹杆④截面详图图20 杆件详图参考文献1.GB50009-2006建筑结构荷载规范[S]2.高耸结构设计规范GBJ135—903.郭新生.风能利用技术.化学工业出版社.。