tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật mô HÌNH hóa và TÍNH TOÁN kết cấu CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO lý THUYẾT CHUYỂN vị bậc NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN tử hữu hạn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS. Ngô Như Khoa THÁI NGUYÊN – 2010 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS. Ngô Như Khoa HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS. Ngô Như Khoa Trần Thị Nam Thu THÁI NGUYÊN – 2010 Tờn ti: Mô hình hoá và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phơng pháp phần tử hữu hạn. - Mc tiờu: Xõy dng cỏc mụ hỡnh tớnh toỏn cho kt cu cỏnh turbine giú kiu trc ng. - Ni dung chớnh: - Mụ hỡnh hoỏ kt cu cỏnh turbine giú, xõy dng c mụ hỡnh c hc tớnh toỏn ng x c hc kt cu. - Xõy dng mụ hỡnh phn t hu hn tớnh toỏn ng x c hc kt cu cỏnh turbine. - Xõy dng chng trỡnh tớnh bng MATLAB, ỏp dng tớnh toỏn c hc kt cu cỏnh turbine ca trm phong in kiu trc ng cụng sut 10KW, vt liu cỏnh l Composite lp, nn nha ct si thu tinh. - Kt qu t c: - Xõy dng c mụ hỡnh c hc kt cu cỏnh turbine giú chu ti trng giú gõy un. - Xõy dng mụ hỡnh phn t hu hn da trờn phn t t giỏc 4 nỳt lm c s cho vic xõy dng thut toỏn v chng trỡnh tớnh toỏn, phõn tớch ng x c hc kt cu cỏnh turbine giú núi riờng v kt cu v composite núi chung. - Xõy dng chng trỡnh tớnh bng MATLAB. 1. Tớnh cp thit ca ti Vt liu Composite hin ang c ng dng rt rng rói trong cỏc ngnh cụng nghip tiờn tin trờn th gii: hng khụng, v tr; úng tu; ụ tụ , c khớ, xõy dng dõn dng v trong i sng do cú nhiu u im ni tri so vi kim loi: nh, bn riờng, mụ un riờng cao, cỏch nhit, cỏch õm tt. Trong lnh vc ny cú 2 vn chớnh c t ra l: mụ hỡnh hoỏ vt liu v kt cu composite lp v tớnh toỏn c hc da trờn nhng mụ hỡnh c th ó c thit lp. - Vic nghiờn cu v xõy dng mụ hỡnh úng 1 vai trũ ht sc quan trng vỡ nhim v trng tõm ca nú l a ra c nhng mụ hỡnh sỏt -1- với thực tế. Do đó, việc nghiên cứu xây dựng mô hình được đặt ra là cần thiết. - Trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu Composite các phương pháp có thể được chia thành hai nhóm, nhóm giải tích và nhóm số. Trong đó, các phương pháp số, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), tỏ ra thích hợp cho các kết cấu có hình dạng, tải trọng tác dụng và kiểu liên kết phức tạp. Do đó, với mỗi mô hình được xây dựng thì việc nghiên cứu xây dựng mô hình PTHH và cụ thể hoá bằng chương trình để kiểm nghiệm độ chính xác của mô hình lại là vấn đề không thể thiếu. 2. Ý nghĩa của đề tài 2.1. Ý nghĩa khoa học Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu xây dựng các mô hình tính toán cho kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng. Đây là nhóm kết cấu phức tạp. Về mặt tính toán cơ học, đây là những vấn đề mới không chỉ trong nước mà còn cả trên phạm vi thế giới. Vì vậy đề tài đảm bảo được ý nghĩa về mặt khoa học. 2.2. Ý nghĩa thực tiễn Đối tượng nghiên cứu của đề tài là kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng, đây là thành phần đặc biệt quan trọng trong mỗi hệ thống phong điện. Do vậy, các kết quả của đề tài đạt được khi áp dụng cho các nhà thiết kế, chế tạo trạm phong điện trong thực tiễn là có ý nghĩa. Vì những lý do đó, đề tài luận văn về “mô hình hoá và tính toán số kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, qua đó tiến hành xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tính toán ứng xử cơ học kết cấu cánh turbine và xây dựng chương trình tính bằng MATLAB. -2- CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE. 1.1. Giới thiệu Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió phát triển nhanh nhất trên thế giới. Đức đang dẫn đầu thế giới về công nghệ phong điện. Hiện có các loại máy phát phong điện với công suất rất khác nhau, từ 1 kW tới hàng MW. Các trạm phong điện có thể phát điện khi tốc độ gió từ 3 m/s (11 km/h), và tự ngừng phát điện khi tốc độ gió vượt quá 25 m/s (90 km/h). Tốc độ gió hiệu quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bị phong điện. Turbine được phân ra làm hai loại: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT), 1.2. Cánh và kết cấu cánh: Hình dáng hình học và khí động học cánh turbine. Hình 1.1. Hình dáng hình học cánh turbine. Đầu nhọn của biên dạng cánh (điểm B) được gọi là “đuôi cánh”. Đầu cánh là vị trí của điểm A ở đầu biên dạng cánh, cách xa điểm B nhất. AB = l là dây cung của biên dạng cánh. -3- ABM là bề mặt trên ; ANB là bề mặt dưới. Góc tới i là góc hợp bởi dây cung và phương véc tơ vận tốc V của gió. Góc nâng o θ bằng 0 là góc hợp bởi dây cung với đường trung hòa. Góc nâng θ là góc hợp bởi đường trung hòa và véc tơ vận tốc V của gió. 0 0 i i θ θ θ θ = + = − Trong đó: o θ là âm, θ và i là dương 1.3. Vật liệu Composite Vật liệu composite là loại vậy liệu được tổ hợp từ 2 hay nhiều loại vật liệu có bản chất khác nhau, vật liệu được tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ. Vật liệu Composite cốt sợi/nhựa hữu cơ thường có rất nhiều ứng dụng trong các nghành công nghiệp hiện đại và đời sống. Tùy thuộc vào sự phân bố của sợi trong nhựa, người ta phân vật liệu Composite thành các loại như: Composite đồng phương, Composite “Mat” và Composite vải, băng. Để tính toán cơ học vật liệu Composite nhiều lớp người ta coi vật liệu là đồng nhất và dị hướng. Để nghiên cứu cơ học của loại vật liệu này ta có thể đi theo hai hướng, đó là nghiên cứu ứng xử của cả vật liệu bao gồm nhiều lớp. Các phương pháp tính toán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu Composite có thể được chia thành 2 nhóm, đó là nhóm giải tích và nhóm số: - Nhóm giải tích: Các thông số của vật liệu và kết cấu có thể được xác định trực tiếp, nhưng phương pháp này nói chung chỉ giới hạn ở các kết cấu đơn giản và chịu lực đơn giản. -4- - Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu có hình dạng, tải trọng tác dụng và kiểu liên kết phức tạp. Tuy nhiên độ chính xác của kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào lý thuyết (mô hình) mà ta sử dụng. Một số lý thuyết tấm áp dụng cho vật liệu này như lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển, lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất của Mindilin, lý thuyết tấm bậc cao,… CHƯƠNG II. XÂY DỰNG CÁC HỆ THỨC CƠ BẢN CHO KẾT CẤU DẠNG VỎ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE LỚP THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT CỦA MIDLIN 2.1. Trường chuyển vị ),0,,(),,,( ),0,,(),0,,(),,,( ),0,,(),0,,(},,,{ 0 0 0 trswtzrsw trsztrsvtzrsv trsztrsutzrsu s r = += += θ θ (2.1) 2.2. Trường biến dạng 0 0 0 0 0 0 0 s s s r r r rs rs rs sz sz rz rz k k z k ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε                         = +                         (2.2) -5- Trong đó: 0 0 1 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 2 1 1 1 ( ) ( )( ) 2 s r rs s s r r rs s r sz rz r s u w s R v w r R u v r s z k s k z r k v u z r s R R s r w u s R w v r R ε ε ε θ θ θ θ ε ε θ θ ∂   +   ∂   ∂   +   ∂     ∂ ∂     +     ∂ ∂     ∂       ∂   =     ∂     ∂        ∂ ∂ ∂ ∂ + − − −    ∂ ∂ ∂ ∂       ∂  + − ∂   ∂  + − ∂            tấm và , , s r rs k k k tương ứng là các thành phần độ cong. 2.3. Trường ứng suất Ứng suất tại một điểm trong lớp thứ k của vỏ được xác định như sau: [ ] [ ] [ ] k k k Q σ ε = (2.3) Hay là: -6- 11 12 11 11 21 22 22 22 66 12 12 44 13 13 55 23 23 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 k k Q Q Q Q Q Q Q σ ε σ ε σ ε σ ε σ ε                         =                             (2.4) )1( 2112 1 11 νν − = E Q ) 2112 1( 121 2112 νν ν − == E QQ ) 2112 1( 2 12 νν − = E Q (2.11) (2.5) 66 12 Q G = 1344 GQ = 2355 GQ = 11 11 21 22 12 21 ( ) 1 E σ ε ν ε ν ν = + − ; 22 1 21 11 2 22 12 21 1 ( ) 1 E E σ ν ε ε ν ν = + − ; 12 21 12 12 G σ σ ε = = ; 13 31 13 13 G σ σ ε = = ; 23 32 23 23 G σ σ ε = = Với 1 2 ,E E là các mô đun đàn hồi theo các trục 1 và 2 của vật liệu. 12 13 23 , ,G G G là các mô đun cắt trong các mặt cắt (1-2), (1-3) và (2-3). -7- 12 ν là hệ số Poát xông, 21 ν được tính thông qua công thức 1 21 2 12 E E ν ν = . 2.4. Trường nội lực Tích phân ứng suất theo chiều dày của vỏ, thu được trường nội lực như sau: [ ] [ ] T s r sr s r sr s r F N N N M M M Q Q = (2.6) Các thành phần lực màng và mô men tổng thể được xác định như sau: [ ] 1 1 2 (1 ) k k z n s s k k z z N dz R σ + = = − ∑ ∫ ; ∑ ∫ = + −= n k z z rr k k dz R z N 1 1 1 )1( σ ; ∑ ∫ = + −= n k z z rrsr k k dz R z N 1 1 1 )1( σ [ ] 1 1 2 (1 ) k k z n s s k k z z M zdz R σ + = = − ∑ ∫ ; ∑ ∫ = + −= n k z z rr k k zdz R z M 1 1 1 )1( σ (2.7) [ ] 1 1 2 (1 ) k k z n sr sr k k z z M zdz R σ + = = − ∑ ∫ ; ∑ ∫ = + −= n k z z rsrs k k zdz R z M 1 1 1 )1( σ [ ] 1 1 2 (1 ) k k z n s sz k k z z Q dz R σ + = = − ∑ ∫ ; ∑ ∫ = + −= n k z z rzr k k zdz R z Q 1 1 1 )1( σ Đối với vỏ mỏng có thể giả thiết sr rs N N= ; sr rs M M= và coi như 1 R z , 2 R z nhỏ bằng không. Phương trình quan hệ ứng xử cơ học tổng quát được viết dưới dạng ma trận như sau: -8- [...]... bảo tính hội tụ tùy thuộc vào dạng, loại kết cấu cụ thể và cần kiểm nghiệm trong quá trình tính toán -15- KẾT LUẬN CHUNG Luận văn đã đạt được một số kết quả là: - Xây dựng được mô hình cơ học kết cấu cánh turbine gió chịu tải trọng gió gây uốn - Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn dựa trên phần tử tứ giác 4 nút làm cơ sở cho việc xây dựng thuật toán và chương trình tính toán, phân tích ứng xử cơ học kết. .. DỰNG HỆ PHƯƠNG TRÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO KẾT CẤU VỎ SỬ DỤNG PHẦN TỬ TỨ GIÁC BẬC HAI 4.1 Giới thiệu Các phần tử được áp dụng trong tính toán các kết cấu dạng tấm, vỏ thường là các phần tử hai chiều dạng tam giác hoặc tứ giác Trong các nghiên cứu của nhiều tác giả trước đây, thường sử dụng các phần tử tam giác hoặc tứ giác bậc nhất (hình 4.1) Phần tử tam giác Phần tử tứ giác Hình 4.1 Các phần tử bậc nhất. .. toán cơ học kết cấu vỏ composite lớp có biên dạng phức tạp, kín như kết cấu cánh turbine gió về cả bài toán phân tích cơ học, tính và kiểm nghiệm bền, cứng - Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết cấu vỏ kín nói chung và kết cấu cánh turbine nói riêng -16- TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ích Thịnh (1994), Vật liệu Composite cơ học và kết cấu, NXB Giáo dục [2] Ngô Như Khoa (2002), Mô hình hóa và. .. Bước 4: Tính toán các ma trận độ cứng phần tử, véc tơ lực nút phần tử và ghép nối phần tử Bước 4.1 Tính ma trận độ cứng phần tử chống uốn km Bước 4.2 Tính ma trận độ cứng phần tử chống uốn kb Bước 4.3 Tính ma trận độ cứng phần tử chống cắt ks Bước 5: Chuyển đổi hệ tọa độ để ghép nối các ma trận độ cứng phần tử và véc tơ lực nút phần tử thành ma trận độ cứng tổng thể và véc tơ lực nút tổng thể ở hệ trục. ..  κr    0  κ sr  0 A45   ε sz   0  A55   ε rz    CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VỎ COMPOSITE NHIỀU LỚP CHỊU UỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3.1 Mô hình hóa bài toán Cánh turbine gió có kết cấu dạng vỏ (có hoặc không có gân tăng cứng) Mô hình hóa phần tử vỏ hai độ cong b h s a r R2 R1 z Trên bề mặt của phần tử vỏ S, hai tọa độ cong trực giao được định nghĩa như sau: ξ s(ξ ) = ∫ 0 2 2 2... Xử lý tránh kỳ dị của ma trận -14- - Áp đặt điều kiện biên Bước 6: Giải hệ phương trình phần tử hữu hạn xác định được véc tơ chuyển vị nút tổng thể Bước 7: Xây dựng véc tơ chuyển vị nút phần tử và các thành phần chuyển vị tương ứng Bước 8: Tính toán các đại lượng cần thiết khác như các thành phần ứng suất tại điểm khảo sát CHƯƠNG V KẾT QUẢ SỐ Luận văn đưa ra 4 bài toán với mục đích như sau: - Bài toán. .. Bài toán 1: Kiểm tra tính hội tụ của thuật toán với vỏ trụ dài - Bài toán 2: Kiểm tra tính hội tụ của thuật toán với vỏ bán cầu - Bài toán 3, 4: Kiểm chứng kết quả tính toán đối với vỏ trụ tròn đẳng hướng 1 lớp, 2 lớp (xen lớp không đối xứng) và 3 lớp (xen lớp đối xứng) Kết quả: Mô hình PTHH xây dựng cho các kết cấu dạng vỏ (vỏ hở và vỏ kín) và thuật toán đã xây dựng đảm bảo cho kết quả hội tụ với các... +  ∂η  dη (3.1)            ξ ,η ∈ [ − 1,1] 3.2 Mô hình hóa phần tử vỏ Kết cấu vỏ tương tự như kết cấu tấm nhưng có độ cong không đổi hoặc thay đổi theo các phương x và y Có thể coi kết cấu tấm phẳng là trường hợp riêng của kết cấu vỏ khi bán kính cong bằng vô cùng w w v = + u z v y u x Hình 3.2 Tổ hợp của phần tử vỏ Như vậy, phương trình sẽ được viết lại như sau: [K b ] 0 0  {d b }... có một hạn chế lớn Mặt khác do mô hình này không tính đến độ vênh của mặt trung bình hay độ cong không gian của pháp tuyến với mặt phẳng tấm, cho nên khó cho được kết quả chính xác khi tính toán với các kết cấu có độ dày lớn - Chương trình chưa hoàn chỉnh được phần tính toán, khảo sát đối cánh Turbine gió + Các vấn đề nghiên cứu tiếp theo - Tiếp tục phát triển và hoàn thiện chương trình tính toán cho... phân tích ứng xử cơ học kết cấu cánh turbine gió nói riêng và kết cấu vỏ composite nói chung - Xây dựng chương trình tính bằng MATLAB + Một số hạn chế: - Lý thuyết này đã bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất pháp tuyến vuông góc với mặt phẳng tấm - Do mô hình này phải kể đến hệ số hiệu chỉnh cắt mà hệ số này lại không duy nhất cho mọi loại vật liệu, kết cấu Composite lớp và mọi dạng hình học cũng như điều kiện . NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. Học Viên:. HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN. nghĩa. Vì những lý do đó, đề tài luận văn về mô hình hoá và tính toán số kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn , qua đó tiến