Mô hình hoá 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG 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 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa Trần Thị Nam Thu THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -1 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục Bảng ký hiệu chữ viết tắt Mở đầu Chƣơng Tổng quan kết cấu cánh Turbine gió vật liệu Composite 1.1 Giới thiệu 1.2 Cánh kết cấu cánh: Hình dáng hình học khí động học cánh turbine… 1.2.1 Các thông số hình học……………………………………………… 1.2.2 Hình dáng biên dạng cánh…………………………………………… 1.2.3 Khí động lực học tác dụng cánh quay môi trường tĩnh… 10 1.3 Lực, phân bố áp lực số yếu tố ảnh hưởng đến phân bố áp lực cánh turbine………………………………………………………………… 12 1.3.1 Nguyên lý…………………………………………………………… 13 1.3.2 Khái niệm phân bố áp lực…………………………… 14 1.3.3 Ảnh hưởng hình học biên dạng cánh……………………………… 16 1.3.3.1 Ảnh hưởng kích thước ngăn…………………………… 16 1.3.3.2 Ảnh hưởng chiều dày………………………………… 17 1.3.4 Ảnh hưởng số Reynol………………………………………… 21 1.4 Vật liệu Composite 21 1.4.1 Lý thuyết nhiều lớp kinh điển………………………………… 25 1.4.2 Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất…………………………………… 26 1.5 Kết luận 26 Chƣơng Xây dựng hệ thức cho kết cấu dạng vỏ vật liệu Composite lớp theo lý thuyết chuyển vị bậc Midlin Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa …………… 28 http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -2 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM 2.1 Trường chuyển vị…………………………………………………… 28 2.2 Trường biến dạng………………………………………………… 29 2.3 Trường ứng suất…………………………………………………… 30 2.4 Trường nội lực……………………………………………… 32 Chƣơng Tính toán vỏ Composite nhiều lớp chịu uốn phƣơng pháp phần tử hữu hạn…………………………………………………………………….… 37 3.1 Mô hình hóa toán…………………………………………………… 37 3.2 Mô hình hóa phần tử vỏ………………………………………………… 38 3.2.1 Ma trận độ cứng phần tử vỏ…………………………………… 44 3.2.2 Quy đổi lực nút………………………………………………… 49 3.2.3 Hệ phương trình phần tử hữu hạn………………………………… 49 Chƣơng Xây dựng hệ phƣơng trình phần tử hữu hạn cho kết cấu vỏ sử dụng phần tử tứ giác bậc hai………………………………………………………… 52 4.1 Giới thiệu………………………………………………………………… 52 4.2 Phần tử tứ giác bậc hai…………………………………………………… 52 4.3 Phần tử quy chiếu…………………………………………… 53 4.4 Ma trận Jacobien phần tử………………………………………… 58 4.5 Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K…………………………………… 60 4.6 Xây dựng véc tơ lực nút tổng thể F……………………………………… 81 Chƣơng Kết số………………………………………………………… 86 Kết luận chung…………………………………………………………… 60 Tài liệu tham khảo………………………………………………………… 81 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -3 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đại lượng a, b Các kích thước kết cấu vỏ: chiều dài, chiều rộng srz Hệ trục chung vỏ Hệ trục tọa độ địa phương vỏ theo phương xyz chuyển đổi hệ trục chung u, v, w Là thành phần chuyển vị theo phương s, r, z vỏ u0, v0, w0 Là thành phần chuyển vị theo phương s, r, z mặt trung bình vỏ  /  Toán tử đạo hàm riêng theo… s ,r , z Các thành phần biến dạng dài theo phương s, r, z vỏ R1 , R2 Bán kính tọa độ cong trực giao r, s  rs ,  sz ,  rz Các thành phần biến dạng góc vỏ  s0 ,  r0 ,  rs0 ,  sz0 ,  rz0 Là biến dạng mặt phẳng trung tâm ks , kr , krs Là thành phần độ cong  11 , 22 Là thành phần ứng suất pháp vỏ 12 ,13 , 23 Là thành phần ứng suất tiếp vỏ 11 ,  22 , 12 , 13 ,  23 Là thành phần biến dạng vỏ Qk Là ma trận đàn hồi N Ma trận thành phần lực màng vỏ Q Ma trận thành phần lực cắt vỏ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT M d  d i  -4 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Ma trận thành phần mô men nội lực vỏ Véc tơ chuyển vị Véc tơ chuyển vị nút phần tử vỏ d  Véc tơ chuyển vị điểm Mt phần tử vỏ Ni Hàm nội suy nút vỏ Li Ma trận toán tử vỏ [Bi] Ma trận tính biến dạng vỏ a Chuyển vị nút phần tử vỏ [Ke] Ma trận độ cứng phần tử vỏ [K] Ma trận độ cứng tổng thể Pe Véc tơ tải trọng tác dụng lên phần tử F  Véc tơ lực nút chung [B]P Ma trận tính lực  , Hệ tọa độ quy chiếu [J], J Ma trận Jacobien định thức  i ,i Tọa độ điểm Gauss Wi Hàm trọng số điểm Gauss s ,r Là góc xoay quanh truc r, s vỏ  Là góc phương sợi lớp vật liệu vỏ PTHH (FEM) Phần tử hữu hạn t Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -5 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỞ ĐẦU Bộ phận máy phong điện kiểu trục ngang hay trục đứng phận cánh, đặc biệt khả quay cánh Để hoạt động tốt cần ý tới việc lựa chọn hình dạng kích thước cánh tối ưu Biên dạng cánh turbine dạng phẳng đơn giản; dạng vỏ trụ; hay dạng khí động học phức tạp Xét mặt kết cấu, cánh turbine gió thường dạng kết cấu tấm/vỏ có gân gia cường dạng hộp panel, vật liệu thường sử dụng vật liệu composite lớp Việc nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán cho kết cấu cánh turbine gió thiếu trình thiết kế góp phần nâng cao hiệu suất máy phong điện Đây nhóm kết cấu phức tạp Trong lĩnh vực học vật liệu kết cấu Composite phương pháp chia thành hai nhóm: nhóm phương pháp giải tích nhóm phương pháp số Ở đây, luận văn sử dụng nhóm phương pháp số mà cụ thể phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng mô hình học tính toán ứng xử học kết cấu cánh Phương pháp ứng dụng vào học từ lâu, thường sử dụng để khảo sát mô hình có đặc điểm học phức tạp Do đặc điểm quản lý thông tin nút (lực nút, chuyển vị nút) nên khối lượng tính toán sơ cấp lớn Phương pháp phần tử hữu hạn thực có ý nghĩa ứng dụng máy tính Vì mà luận văn xây dựng chương trình tính MATLAB Dựa sở mô hình học, nghiên cứu xây dựng mô hình PTHH để giải toán bền, cứng cho cánh turbine chịu tác dụng tải trọng gió Gần có số nghiên cứu liên quan đến đề tài như: Nghiên cứu động lực học cánh turbine nhằm nâng cao hiệu độ an toàn hệ thống cánh turbine gió [1], [5]; hay nghiên cứu động lực học cánh turbine kiểu trục đứng nhằm nâng cao hiệu mặt hứng gió giảm thiểu ảnh hưởng mặt cản gió cho cánh turbine [2]; Một số nghiên cứu hiệu sử dụng vật liệu compossite lớp cho cánh turbine [6] Các nghiên cứu nước hệ thống turbine gió nói riêng phong điện nói chung đặc biệt Nghiên cứu có quy mô gần kể đến kết Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -6 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM nhóm nghiên cứu PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang [4] nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống phát điện chạy lượng gió có công suất danh định từ 10KW đến 30KW Nội dung nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc xây dựng điều khiển: điều khiển nạp bank accu, điều khiển công suất phát, nghịch lưu tích hợp với hệ thống turbine gió máy phát nhập ngoại Luận văn Chu Đức Quyết [8], tính toán thiết kế vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng Và số nghiên cứu kết cấu có gân gia cường vật liệu compossite lớp, như: Nguyễn Tiến Dũng [7], đó, đề tài thiết lập phần tử lai gân để xây dựng mô hình PTHH cho toán kết cấu có gân tăng cứng chịu tải trọng phân bố áp dụng mô hình chuyển vị bậc Mindlin với việc sử dụng phần tử tam giác bậc cao (6 nút phần tử nút có bậc tự do), để xây dựng ma trận độ cứng phần tử – gân; Trần Hữu Quốc [9], xây dựng mô hình phần tử – gân với phần tử tứ giác nút cho phần tử dầm nút cho gân, dựa lý thuyết chuyển vị cắt bậc cao Reddy Mặc dù ngành công nghiệp chế tạo turbine gió nói chung giới phát triển mạnh mẽ, nhiên công trình công bố tài liệu vấn đề hạn chế, đặc biệt vấn đề tính toán học kết cấu cánh, nội dung đề cập đến đề tài luận văn Trong luận văn này, phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần tử tứ giác nút sử dụng hàm nội suy hình học nút phần tử vỏ để tính ma trận độ cứng vỏ Khảo sát toán tĩnh để phân tích biến dạng kết cấu vỏ kín làm vật liệu composite Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -7 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN - Tên đề tài: Mô hình hoá tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc phƣơng pháp phần tử hữu hạn - Mục tiêu: Xây dựng mô hình học tính toán ứng xử học kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng vật liệu composite lớp - Đối tượng nghiên cứu: Tính toán số toán vỏ kín vật liệu Composite lớp, liên kết ngàm đầu chịu tác dụng tải trọng phân bố - Nhiệm vụ: + Nghiên cứu tổng quan công trình thực nước kết cấu vỏ vật liệu Composite lớp + Xây dựng mô hình hoá kết cấu cánh turbine gió, xây dựng mô hình học tính toán ứng xử học kết cấu + Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tính toán ứng xử học kết cấu cánh turbine + Xây dựng chương trình tính MATLAB, áp dụng tính toán học kết cấu cánh turbine trạm phong điện kiểu trục đứng công suất 10KW, vật liệu cánh Composite lớp, nhựa cốt sợi thuỷ tinh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -8 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1 Giới thiệu Hiện nay, số nguồn lượng mới, lượng sức gió phát triển nhanh giới nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, không làm hại môi trường Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm phong điện) sử dụng nhiều nước châu Âu, Mỹ nước công nghiệp phát triển khác Đức dẫn đầu giới công nghệ phong điện Hiện có loại máy phát phong điện với công suất khác nhau, từ kW tới hàng MW Các trạm phong điện hoạt động độc lập nối với mạng điện quốc gia Các trạm phong điện phát điện tốc độ gió từ m/s (11 km/h), tự ngừng phát điện tốc độ gió vượt 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo thiết bị phong điện Như lượng gió nguồn lượng tái tạo phát triển Trong tương lai nguồn lượng tái tạo thu từ turbine gió đóng vai trò quan trọng phát điện nguồn điện Turbine phân làm hai loại: Turbine gió trục ngang (HAWT) turbine gió trục đứng (VAWT), turbine chúng khác vị trí trục Mặc dù HAWT hiệu với chế tạo phong phú chúng sử dụng phổ biến VAWT nghiên cứu nhiều nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ phân tích đại Có thể thấy rằng, phạm vi quy mô sử dụng trạm phong điện trục đứng khiêm tốn so với hệ thống HAWT, hệ thống VAWT hoạt động bình đẳng với hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, phận có kích thước không lớn nên vận chuyển lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, tu bảo dưỡng đơn giản Với đăc điểm vậy, nên thị trường mà công ty R&D (nghiên cứu chế tạo thương mại hóa) hệ thống (chủ yếu Trung Quốc) hướng tới Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp:... VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN - Tên đề tài: Mô hình hoá tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc phƣơng pháp phần tử hữu hạn - Mục tiêu: Xây dựng mô. .. nước kết cấu vỏ vật liệu Composite lớp + Xây dựng mô hình hoá kết cấu cánh turbine gió, xây dựng mô hình học tính toán ứng xử học kết cấu + Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tính toán ứng xử học kết