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

Tờn đề tài: Mô hình hoá và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểutrục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phơng pháp phần tử hữuhạn.. Do đó, việc nghiên cứu xây dựng mô hình đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp: CHK11 CTM

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máyHDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa

THÁI NGUYÊN – 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Tờn đề tài: 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 hữuhạn

- Mục tiờu: Xõy dựng cỏc mụ hỡnh tớnh toỏn cho kết cấu cỏnh turbine

- Xõy dựng chương trỡnh tớnh bằng MATLAB

1 Tớnh cấp thiết của đề tài

Vật liệu Composite hiện đang được ứng dụng rất rộng rói trong cỏcngành cụng nghiệp tiờn tiến trờn thế giới: hàng khụng, vũ trụ; đúng tàu; ụ

tụ , cơ khớ, xõy dựng dõn dụng và trong đời sống do cú nhiều ưu điểm nổitrội so với kim loại: nhẹ, độ bền riờng, mụ đun riờng cao, độ cỏch nhiệt,cỏch õm tốt Trong lĩnh vực này cú 2 vấn đề chớnh được đặt ra là: mụ hỡnhhoỏ vật liệu và kết cấu composite lớp và tớnh toỏn cơ học dựa trờn những

mụ hỡnh cụ thể đó được thiết lập

- Việc nghiờn cứu về xõy dựng mụ hỡnh đúng 1 vai trũ hết sức quantrọng vỡ nhiệm vụ trọng tõm của nú là đưa ra được những mụ hỡnh sỏt

với thực tế Do đó, việc nghiên cứu xây dựng mô hình được đặt ra làcần thiết.

- Trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kết cấu Composite các phươngpháp 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 dựngthì việc nghiên cứu xây dựng mô hình PTHH và cụ thể hoá bằngchương trình để kiểm nghiệm độ chính xác của mô hình lại là vấn đềkhông 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 tínhtoán cho kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng Đây là nhóm kết cấuphức tạp Về mặt tính toán cơ học, đây là những vấn đề mới không chỉtrong nước mà còn cả trên phạm vi thế giới Vì vậy đề tài đảm bảo được ýnghĩa về mặt khoa học

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là kết cấu cánh turbine gió kiểu trụcđứng, đây là thành phần đặc biệt quan trọng trong mỗi hệ thống phongđiện 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 kếtcấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằngphương 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 dựngchương trình tính bằng MATLAB

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 (90km/h) Tốc độ gió hiệu quả từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo từng thiết bịphong 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.

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 bằng 0 là góc hợp bởi dây cung với đường trung hòa.Góc nâng  là góc hợp bởi đường trung hòa và véc tơ vận tốc V của gió

0 0

Vật liệu Composite cốt sợi/nhựa hữu cơ thường có rất nhiều ứng dụngtrong 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 loạinhư: 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 cóthể đi theo hai hướng, đó là nghiên cứu ứng xử của cả vật liệu bao gồmnhiều lớp Các phương pháp tính toán trong lĩnh vực cơ học vật liệu và kếtcấu Composite có thể được chia thành 2 nhóm, đó là nhóm giải tích vànhóm số:

- Nhóm giải tích: Các thông số của vật liệu và kết cấu có thể được xácđịnh trực tiếp, nhưng phương pháp này nói chung chỉ giới hạn ở các kếtcấu đơn giản và chịu lực đơn giản

- Nhóm các phương pháp số: Phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả, đặcbiệt là phương pháp phần tử hữu hạn, nó rất phù hợp cho các kết cấu cóhình 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 vậtliệu này như lý thuyết tấm nhiều lớp kinh điển, lý thuyết biến dạng cắt bậcnhất 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

t r s w t z

r

s

w

t r s z t r s v t z

r

s

v

t r s z t r s u t z

r

s

u

s r

0 0

0 0

1

2 0

) 1

z r r

k

k

dz R

z N

1

) 1 (

k

k

dz R

z N

1

) 1 (

k

k

zdz R

z M

1

) 1 (

z

z rs rs

k

k

zdz R

z M

1

) 1 (

z

z rz r

k

k

zdz R

z Q

1

) 1 (

A A Q

0 0

s r rs s r sr sz rz

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

T P T

e

S

dS ) y , x ( p B a dS ) y , x ( w ) y ,

x

(

3.3.3 Hệ phương trình phần tử hữu hạn

Hình 4.1 Các phần tử bậc nhất hai chiều

4.2 Phần tử tứ giác bậc hai

Phần tử tam giác Phần tử tứ giác

x

3 4

4.4 Mô hình chia lưới phần tử

Chọn biên dạng NACA 4 số đối xứng (NACA 0009) Phương trìnhcho loại profin NACA 4 số đối xứng:

12 17 22 27 32 37 42

47 4843 38 33 28 23 18 13 14 19 24 29 34 39 44

49 50 45 40 35 30 25 20 15 10 9 8 7

2 3

4 5

200 cm

66 65 64 63 62 61

60 59 58 57 56 55

54 53 52 51 50 49

48 47 46 45 44 43

42 41 40 39 38 37

36 35 34 33 32 31

30 29 28 27 26 25

24 23 22 21 20 19

18 17 16 15 14 13

12 11 10 9 8 7

6 5 4 3 2 1

Hình 4.5 Vị trí đánh số nút trong hệ tọa độ chung

Như vậy, trình tự các bước có thể được tóm tắt như sau:

Bước 1: Thiết lập sơ đồ phần tử, nút phần tử Tính toán tọa độ các nút

trong hệ tọa độ tổng thể M(x,y,z)

Bước 2: Tính toán ma trận chuyển đổi hệ tọa độ có sở biến dạng, hệ

tọa độ cơ sở ứng suất và hệ tọa độ cơ sở ma trận độ cứng

Bước 3: Tính toán các hằng số độ cứng vật liệu quy đổi, ma trận độ

- Xử lý tránh kỳ dị của ma trận

- 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 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 đẳnghướng 1 lớp, 2 lớp (xen lớp không đối xứng) và 3 lớp (xen lớp đốixứng)

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 lờigiải số Tuy nhiên, độ mịn của lưới đảm bảo tính hội tụ tùy thuộc vàodạng, loại kết cấu cụ thể và cần kiểm nghiệm trong quá trình tính toán

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 tảitrọng gió gây uốn

- Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn dựa trên phần tử tứ giác 4 nútlàm cơ sở cho việc xây dựng thuật toán và chương trình tính toán, phântích ứng xử cơ học kết cấu cánh turbine gió nói riêng và kết cấu vỏcomposite nói chung

- Xây dựng chương trình tính bằng MATLAB

độ cong không gian của pháp tuyến với mặt phẳng tấm, cho nên khó chođược 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 đốicánh Turbine gió

+ Các vấn đề nghiên cứu tiếp theo

- Tiếp tục phát triển và hoàn thiện chương trình tính toán cho các bài toán

cơ học kết cấu vỏ composite lớp có biên dạng phức tạp, kín như kết cấu cánhturbine 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 nóichung và kết cấu cánh turbine nói riêng

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 tính toán số vật liệu,kết cấu Composite lớp, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội

[3] Asaf Varol, Cumali ’IlkılıcYasin Varol Increasing the

efficiency of wind turbines Journal of Wind Engineering and

Industrial Aerodynamics 89 (2001) 809–815

[4] Robert J Butler, Aaron R Byerley, Kenneth VanTreuren,

James W Baughn, The effect of turbulence intensity and length scale

on low-pressure turbine blade aerodynamics International Jounal of

Heat and Fluid Flow 22 (2001) 123-133

[5] Ph Devinant, T Laverne, J Hureau Experimental study of

wind-turbine airfoil aerodynamics in high turbulence Journal of

Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 90 (2002) 689–707.[6] Nguyễn Phùng Quang Đề tài cấp nhà nước KC.06.20.CN

(2007)

[7] Ali Vardar and Bulent Eker Principle of rotor design for

horizontal axis wind turbines Journal of Applied Sciences 6 (7):

1527-1533, 2006

[8] Bulent Eker, Ali Vardar., Using of composite material in

wind turbine blades Journal of Applied Sciences 6 (14): 2917-2921,

2006

[9] Đỗ Tiến Dũng (2007), luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu số

kết cấu tấm bằng vật liệu Composite có gân tăng cứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” Trường Đại học KTCN – Đại học Thái

Nguyên

[10] Chu Đức Quyết (2009), luận văn thạc sỹ “Tính toán thiết kế

mô hình hệ thống cánh Turbine gió kiểu trục đứng trong máy phát điện công suất 30KW”., Trường Đại học KTCN – Đại học Thái

Nguyên

[11] Trần Hữu Quốc (2009), luận án tiến sĩ “Mô hình hóa và tínhtoán sô kết cấu tấm composite có gân gia cường” Trường Đại họcbách Khoa Hà Nội

[12] Trần Ích Thịnh – Trần Đức Trung – Nguyễn Việt Hùng(2000), Phương pháp phần tử hữu hạn trong kỹ thuật, Hà Nội

[13] Tarun Kant and Rakesh K Khare, Ahigher-Order facetquadrilateral Composite shell element (1997), India

[14] S Goswami and M Mukhopadhyay, Finite Element Analysis

of Laminated Composite Stiffened Shell, West Bengal India

[15] J.R Kommineni and T Kant, Pseudo-Transient Analysis ofComposite Shells Including Geometric and Material Non-Linearities,India

[16] R.D.Cook, Four-node flat shell element: Drilling degrees offreedom, membrane-bending coupling,warped geometry, andbehaviour, Comput Struct., 50, 549-555(1994)

[17] Jianhui Zhang, Numerical Modeling of Vertical Axis WindTurbine (VAWT), (2004), Technical University Of Denmark

.