پایان نامه تحلیل ارتعاشات خمشی خطی پره‏ ی توربین بادی کامپوزیتی دوار و شبیه‏ سازی نرم افزاری آن

فهرست:

فهرست مطالب ......................................................................................................................................... viii

    فهرست اشکال ............................................................................................................................................ xi

    فهرست جداول ......................................................................................................................................... xiv

سمبل‏ها، علائم و اندیس‏ها ........................................................................................................... xv

چکیده........................................................................................................................................  1

فصل اول: مقدمه ................................................................................................................... 2

1-1    پیش­گفتار 2

1-2    انواع توربین­های بادی پیشرفته. 4

1-2-1       توربین­های بادی با محور عمودی. 4

1-2-2       توربین‏های بادی با محور افقی.. 5

1-3    نیروگاه­های بادی. 7

1-4    قدرت توربین بادی محور افقی.. 8

1-5    اجزای توربین بادی محور افقی.. 9

1-6    پره توربین بادی محور افقی.. 11

1-6-1       ایرفویل پره‏ توربین بادی. 12

1-6-2       نیروهای روی ایرفویل.. 13

1-6-3       ساختار سازه پره توربین بادی. 14

1-6-4       سازه داخلی پره توربین بادی. 15

1-6-5       مواد پره‏ توربین بادی. 16

1-7    نیروهای وارد بر توربین بادی محور افقی.. 18

1-7-1       نیروهای آیرودینامیکی.. 18

1-7-2       نیروهای گرانشی.. 19

1-7-3       نیروهای گریز از مرکز. 19

1-7-4       نیروهای ژیروسکوپی.. 20

1-7-5       آشفتگی باد 20

1-7-6       تغییرات پروفیل باد 21

1-8    مقدمه‏ای بر ارتعاشات توربین بادی محور افقی.. 22

1-8-1       نیروهای تحریک و درجات آزادی ارتعاشی.. 23

1-8-2       ارتعاشات پره­های باریک توربین بادی. 25

1-9    کارت دینامیکی پره توربین بادی (نمودار کمپبل) 27

1-10  تاریخچه‏ی کارهای انجام شده در زمینه‏ی آنالیز دینامیکی پره‏ی توربین بادی. 28

1-11  کار حاضر و اهداف پروژه. 31

1-11-1     مشخصات توربین بادی مورد مطالعه. 32

1-12  محتوای فصل­های بعدی. 33

فصل دوم: تئوری‏های حاکم ................................................................................................34

2-1    فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبه­ای تیر چرخان. 35

2-1-1       تغییر مکان نقاط تیر. 36

2-2    تئوری تیر تیموشنکو. 37

2-2-1       ضریب اصلاح برشی.. 40

2-3    محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 42

2-4    اصل همیلتون. 44

2-4-1       تغییرات مجازی انرژی جنبشی.. 44

2-4-2       تغییرات مجازی انرژی کرنشی.. 45

2-4-3       تغییرات مجازی انرژی پتانسیل ناشی از بارهای اعمال شده به سیستم.. 45

2-4-4       معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم برای حالت لبه­ای. 47

2-5    گسسته سازی معادلات حرکت.. 48

2-5-1       محاسبه توابع شکل.. 48

2-6    فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبه­ای بر اساس تئوری تیر اویلر-  برنولی.. 61

2-7    فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بال­زدن تیر چرخان. 63

2-7-1       تغییر مکان نقاط تیر. 63

2-7-2       محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 65

2-7-3       معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم در حالت بال­زدن. 67

2-7-4       گسسته سازی معادلات حرکت.. 68

2-8    فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بال­زدن بر اساس تئوری تیر اویلر- برنولی.. 72

فصل سوم: تحلیل ارتعاشات پره توربین بادی به کمک نرم­افزار و استخراج پارامترهای مودال.........73

3-1    روش مدل­سازی و تحلیل نرم­افزاری. 74

3-1-1       روش نرم‏افزاری اجزا محدود 74

3-1-2       نرم­افزار اجزاء محدود آباکوس... 75

3-2    فرضیات بکار رفته در استفاده از نرم­افزار 75

3-3    فرایند تحلیل نرم­افزاری. 76

3-3-1       مدل­سازی پره توربین بادی. 76

3-3-2       تعریف خصوصیات ماده. 76

3-3-3       تعیین نوع حل.. 76

3-3-4       تعریف شرایط مرزی و بارگذاری. 77

3-3-5       مش­بندی یا شبکه­بندی. 78

3-4    اعتبار‏سنجی.. 81

3-5    نتایج تحلیل نرم­افزاری پره توربین بادی. 86

3-5-1       تحلیل فرکانسی پره توربین بادی. 86

3-5-2       تحلیل فرکانسی پره توربین بادی با در نظر گرفتن سرعت دورانی روتور 87

3-5-3       مقایسه فرکانس­های طبیعی تئوری­های اویلر- برنولی و تیموشنکو. 93

3-5-4       بررسی اثر لایه­چینی مواد کامپوزیتی بر روی فرکانس­های طبیعی 93

3-5-5       بررسی اثر سرعت دورانی بر روی فرکانس­های طبیعی.. 97

3-5-6       بررسی اثر ضخامت پوسته پره توربین بادی بر روی فرکانس­های طبیعی.. 98

3-5-7       بررسی اثر شعاع هاب روتور بر روی فرکانس­های طبیعی.. 99

3-5-8       بررسی پاسخ گذرای سیستم تحت یک ضربه­ی فشاری. 100

 فصل چهارم: نتیجه­گیری و پیشنهادات ................................................................................103

4-1    نتیجه‏گیری. 103

4-2    پیشنهادات.. 105

منبع:

1- 

]1[ سید حبیب امامی العریضی، "تحلیلی بر رفتار ارتعاشی برج و سیستم انتقال قدرت توربین بادی 660 کیلووات بر اساس آنالیز مودال"، پایان­نامه مقطع کارشناسی­ارشد، رشته مهندسی هوافضا- سازه­های هوایی، دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان، اصفهان 1393.

]2[ علیرضا شوشتری، شیوا گروسی، "مدل­سازی و بررسی اثرات پارامترهای مختلف هندسی بر فرکانس­های طبیعی پره­های توربین بادی، دومین کنفرانس سالانه انرژی پاک"، مرکز بین ­المللی علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی شهر کرمان، 22-21 تیرماه 1391.

]3[ محمد کنکرانی فراهانی، مونا عین القضاتی، عباس بحری، حمیدرضا لاری، "تحلیل فرکانسی روتور توربین بادی 2 مگاواتی ملی با استفاده از روش المان محدود"، بیست و هشتمین کنفرانس بین المللی برق تهران، 13-15 آبان 1392.

]4[ پیمان حاج‏حیدری، "آنالیز ارتعاشات تیرهای چرخان با ویژگی‏های عملکرد درجه‏بندی شده"، پایان‏نامه مقطع کارشناسی‏ارشد، رشته مکانیک طراحی کاربردی، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان 1390.

]5[ مصطفی غیور، حشمت اله محمد خانلو، "مبانی ارتعاشات مکانیکی"، مرکز نشر دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، 1382.

]6[ س. اس. رائو، مترجم بهرام پوستی، "ارتعاشات مکانیکی"، انتشارات متفکران، تهران 1386.

]7[ م. کرایگ، مترجم علیرضا انتظاری، "دینامیک"، انتشارات نوپردازان، تهران 1387.

]8[ک.کاو. آوتار، مترجم امیر پاشایی، "مکانیک مواد مرکب"، انتشارت جهاد دانشگاهی واحد اصفهان، اصفهان 1389.

]9[ محمد مهدی درویشی، یوسف طرازجمشیدی، محمد صلحی، رابعه رزمجویی، "تحلیل مکانیکی به کمک نرم­افزار "Abaqus، نشر آفرنگ، تهران 1391.

]10[ محمدفرزین، سید دیباجیان، اصغر مهدیان، محمد حسینی فرید، "آشنایی و طرز کار نرم­افزار ABAQUS"، انتشارات جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان، اصفهان 1391.

[11] http://www.suna.org.ir/fa/home.

[12] A. Namiranian, "3D Simulation of a 5 MW wind turbine", Department of Mechanical Engineering, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden, 2011.

[13] K. Cox, A. Echtermeyer, "Structure design and analysis of a 10MW wind turbine blade", Journal of Energy Procedia 24 (2012) 194-201.

[14] S. K. Chakrapani," Investigation of ply wavainess in wind turbine blades: Experimental and numerical analysis", Iowa State University, Ames, Iowa 2011.

[15] E. Hau, "Wind turbine, Fundamentals, Technologies, Application, Economics", Third translate edition, Munich, Germany, 2013.

[16] M. E. Bechly and P. D. Clausen, "Structural design of a composite wind turbine blade using finite element analysis", Computers & Structural Vol. 63, No. 3, pp. 639-646, 1997.

 [17] K. Y. Maalawi, H. M. Negm, "Optimal frequency design of wind turbine blades", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 90 (2002) 961-986.

[18] M. Jureczko, M. Pawlak, A. Mezyk, "Optimization of wind turbine blades", Journal of Materials Processing Technology 167 (2005) 463-471.

[19] J.B. Gunda, A.P. Singh, P.S. Chabra, R. Ganguli, "Free vibration analysis of rotating tapered blades using Fourier-p super element", J. Structural Engineering and Mechanics, Vol. 27, No. 2 (2007) 000.00.

[20] J.H Park, H.Y Park, S.Y Jeong, S.H Lee, Y.H Shin, J.P Park, "Linear vibration analysis of rotating wind turbine blade", J. Current Applied Physics 10 (2010) S332-S334.

[21] W. Zhou, H. Nasser, H. Li, H. Zeng, "An experimental study of rotational effects on modal parameters of rotating wind turbine blades", Proceedings of the 8th Intemational Conference on Structure Dynamics, EURODYN 2011.

[22] Y. Li, L. Li, Q. Liu, H. Lv, "Dynamic characteristics of lag vibration of a wind turbine blade", Acta Mechanica Solida Sinica, Vol. 26, No. 6, December, 2013.

[23] http://lagerwey.com/.

[24] http://grabcad.com/.

 [25] Germanischer Lloyd Industrial Sevices GmbH, "Guidlline for the certification of wind turbines", Edition 2010.

[26] T. P. Vo, J. Lee, "Free vibration of thin-walled composite box beams", Composite Structures 84 (2008) 11-20.

[27] S. Putter, H. Manor, "Natural frequencies of radial rotating beams", J. Sound Vib. 56 (1978) 175-185.

[28] D. H. Hodges and M. J. Rutkowskit, "Free vibration analysis of rotating beams by a variable-order finite element method",AIAA Journal, Vol. 19, No. 11, November 1981.

[29] H.H. Yoo, S.H. Shin, "Vibration analysis of rotating cantilever beams", J. Sound Vib. 212 (5) (1998) 807-828.

[30] H.H. Yoo, J.H. Park, "Vibration analysis of rotating pre- twisted blades", J. Comput. Struct. 79 (2001) 1811-1819.

[31] S.H. Lee, S.H. Shin, H.H. Yoo, "Flapwise bending vibration analysis of rotating composite cantilever beams", KSME Int. J. 18 (2) (2004) 240-245.

[32] G. Wang and N. M. Areley, "Free vibration analysis of rotating blades with uniform tapers", AIAA Jounal, Vol. 42, No. 12, December 2004.

[33] D.H. Choi, J.H. Park, H.H. Yoo, "Modal analysis of constrained multibody systems undergoing rotational motion", J. Sound Vib. 280 (2005) 63-76.

[34]C. Sicot, P. Devinant, S. Loyer, J. Hureau, "Rotational and turbulence effects on a wind turbine blade", Investigation of the stall mechanisms, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 1320-1331.

[35] J. Arrigan, V. Pakrashi, B. Basu, S. Nagarajaiah, "Control of flapwise vibration in wind turbine blades using semi-active tuned mass dampers", Struct. Control Health Monit, (2010).

[36] F. Song, Y. Ni, Z. Tan, "Optimization design, modeling and dynamic analysis for composite wind turbine blade", J. Procedia Engineering 16 (2011) 369-375.

[37] N. Tenguria, N.D. Mittal, S. Ahmed, "Modal analysis for blade of horizontal axis wind turbine", Asian Journal of Scientific Research 4 (4): 326-334, 2011.

[38] J. C. Jauregui, D. Jimenez, "Nonlinear vibration analysis of wind turbine blades", 13th World Congress in Mechanism and Machine Science, Guanajuato, Mexico, 19-25 June, 2011.

[39] M. Salthaug, "Blade dynamic response for downwind turbine", Norwegian University of Science and Technology, Department of Energy and Process Engineering, Norway, 2011.

[40] L. Li, Y.H. Li, H.W. Lv, Q.K. Liu, "Flapwise dynamic response of a wind turbine blade in super-harmonic resonance", Journal of Sound and Vibration 331 (2012) 4025-4044.

[41] J. Li, Z. Zhang, J. Chen, "Experimental study on vibration control of offshore wind turbine using a ball vibration absorber", Energy and Power Engineering, 2012, 4, 153-157.

[42] C. Faudot, O. G. Dahlhaug, "Prediction of wave loads on tidal turbine blades", Energy Procedia 20 (2012) 116-133.

[43] T. Kim, A. M. Hansen, K. Branner, "Development of an anisotropic beam finite element for composite wind turbine blades in multibody system", Journal of Renewable Energy 59 (2013) 172-183.

[44] L. Li, Y.H. Li, Q.K. Liu, H.W. Lv, "A mathematical model for horizontal axis wind turbine blades", Appl. Math. Modelling (2013).

[45] Y. Zhen, R. zhen Zhao, H. Liu, "Modal analysis of horizontal axis wind turbine blades", Journal of Electrical Engineering, Vol. 12, No. 2, February 2014, pp. 1212 – 1216.

[46] H. Hamdi, C. Mrad, A. Hamdi, R. Nasri, "Dynamic response of a horizontal axis wind turbine blade under aerodynamic, gravity and gyroscopic effects", Applied Acoustics xxx (2014) xxx-xxx.

[47] K. L. V. Buren, S. Atamturktur, M. Hemez, "Model selection through robustness and fidelity criteria: Modeling the dynamics of the CX-100 wind turbine blade", Mechanical Systems and Signal Processing 43(2014) 246-259.

[48] L. Li, Y.H. Li, Q.K. Liu, H.W.Lv, "A mathematical model for horizontal axis wind turbine blades", Applied Mathematical Modelling 38 (2014) 2695-2715.