竖轴风机变角机构设计【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要新兴市场的风电能源产业发展迅速,在国家政策的支持和能源供应紧张的背景下,中国的风电能源产业特别是风电设备制造业迅速崛起,已成为全球风电产业发展最为活跃的地区。2006年,全球风电发展所用的资金中有9%投向了中国,总额高达16.2亿欧元。2007年,中国风电装机容量已排名世界第五。截止到2012年,中国风电装机容量达到42287MW,跃居世界第一。而从2015年中国风能协会公布的数据来看,我国新增风电装机容量已达30.5吉瓦,达到峰值。2016年的发展趋势将趋于平稳,不再将重点放在数量,而是转向质量的提升。与水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机具有着成本低,结构简单,无噪声,无需对风,启动风速低等诸多优点。因此,在目前的经济市场上,垂直轴风力发电机更受欢迎,应用前景也更加广阔。本课题针对市场现有的垂直轴风机叶片特有机构进行改良,以做到在不影响叶片自身转动的同时,保护叶片,并达到提高利用率的目的。关键词:风力发电,垂直轴风机,翼型件压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985AbstractThe present invention concerns a wind turbine having a plurality of vertically extending airfoils forming a rotating carousel rotating about a central axis thereof.The airfoils pivot about their leading edges to adjust the pitch angle thereof to maximize energy harvest when the airfoils are rotating both in an upwind direction and a down wind direction .This pivoting movement results from trailing edges of the airfoils being pivot-ally secured to rigid spokes or cables of a trailing edge hub.An adjustment mechanism is pivot-ally mounted between a carousel hub and the trailing edge hub and is used to control the separation between a central axis of the trailing edge hub and the axis of rotation of the carousel as they co-rotate.As the carousel rotates,the offset distance between the two axes determines the maximum achievable pitch angle of each airfoil.The airfoils then continually cycle between a positive and negative value of the maximum pitch angle relative to its position around the carousel and relative to the existing wind direction in order to create maximum lift.A wind direction rudder is secured to the adjustment mechanism to provide for movement thereof resulting in movement of the trailing edge hub as wind direction changes so that the most desirable pitch angle of the airfoils relative to wind direction is maintained. Key words: wind energy,wind turbine,trailing edge hub.目 录摘 要IIAbstractIII1 绪 论11.1风能发展现状11.2课题涉及领域11.3课题设计背景 22 垂直轴风机各部件综述32.1 垂直轴风机翼型件32.2 垂直轴风机螺杆电机机构32.3 垂直轴风机电子控制机构43 垂直轴风机叶片选择53.1 风机叶片数目及叶形53.2 垂直轴风机发电效率54 设计图详述84.1 三维图,俯视图84.2 轮毂部分剖面图、各状态下翼型件位置示意图94.3 电子控制示意图 125 结论14参考文献15致 谢16XIII压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 119709851 绪 论本设计所涉及的是一个具有多个成型的旋转圆盘传送带围绕其中心轴线垂直延伸的翼型件的风力发电机,简称垂直轴风力发电机。设计的主要目的是建立一个垂直轴风力发电机叶片的变偏角机构,以保证在满足叶片自身偏转的要求同时控制旋转角度防止叶片受损。同时风力发电机的前缘翼件型枢轴在调整俯仰角时不管是在逆风向还是顺风向上下旋转时都能获得最大化的能量1。这种旋转运动是由于翼型件后缘被可枢转地固定到刚性的辐条或后沿轮毂的电缆所导致的。而整个系统内的调整机构则被可枢转的安装在圆盘传送带毂和后缘轮毂之间,并用来控制后缘轮毂的中心轴和共同旋转的圆盘传送带的旋转轴线之间的距离。随着转盘的转动,中心轴与旋转轴之间的偏移距离决定了每个翼型的最大可实现桨距角2。之后,翼型件继续根据其周围的转盘位置的最大桨距角的正负值以及所受风向的循环影响来制造最大的升力。为了使得翼型件相对于风向的最大可实现桨距角保持不变,风向舵就需要被固定在调节机构,只有它们移动,才能保证后缘轮毂在风向变化时产生运动.1.1风力发电发展现状2002年,中国率先开始了新型垂直轴风力发电机的研究,由部队通讯部牵头,上海某公司为研发主体,西安电子科技大学,西安交大,同济大学,复旦大学等高校的多位专家配合,在短短一年时间里就产生了首台新型垂直轴风力发电机。并在不到5年的时间里将功率扩展至200W-100KW,处于世界领先地位。按照我国“十二五”规划目标,预计到2015年风力发电机容量将达到1*KW,年发电量1900*KW.h3。GWEC和Greenpeace预测,今后20年风力发电将成为世界主力电源,2030年装机容量有可能达28 *KW,可供应世界电力需求的22%。1.2课题涉及领域本课题所涉及的是一种风能能量产生装置,主要是纵轴翼型风力发电装置。1.3课题设计背景风力发电机在风能能量产生装置中属于非常重要的一大类。根据其旋转轴可分为两个类别。一种是垂直轴风力发电机:一般是围绕一条垂直轴线具有多个翼型件(叶片):另一种是水平轴风力发电机:一般围绕水平轴线具有翼型件(叶片)。总体而言,不论是垂直轴还是水平轴都有自己不同的优缺点4。从目前来看,对于一个给定的风力流动,水平轴风力发电机提取电能的能力更加高效。例如,商用主流发电组就适合使用水平轴风力发电机。为了实现高效操作,水平轴风力发电机往往需要安装在高塔上,并且它的叶片及其上面所产生的空气障碍物会造成振荡,阻碍其性能。同时,水平轴风力发电机通常只能有两到三个处于远高于事故风速的高速旋转的螺旋桨,存在极大的不稳定性。旋转轴还通常耦合有发电机和齿轮箱,这两样物品也需要一起安装到塔上,这就大大增加了安装和后期维保的难度。水平轴风力发电机还存在的一个问题就是,它的螺旋桨为了能够更有效地吸收席卷整个盘孔的大部分风能,经常是采用在风吹过时能够改变螺距的刀片作为叶片,并且只有当感知到最小风速的时候水平轴风力发电机才可以按要求发起供电协助以启动旋转运动。相反的,垂直轴风力发电机可以允许多个单片叶片在低风速的时候进行操作并且不要求必须要面对风向时才可以进行旋转,任何风向都可以产生旋转运动。这种可以从任意风向较低风速立即启动工作的能力使得垂直轴风力发电机非常适合小型低地面的设施,相较于水平轴风机,节约了建造高塔架的成本,并降低了维修或更换各个发电机部件的难度。在平均风速较低的地区,垂直轴风机提供了一种可替换的低成本风力发电的可能性。桶形的垂直轴风机的叶片只有在其翼型件旋转一半的时候和回转期间与风向相反做出运动时才能产生能量5。因此,这种类型的垂直轴风机不能以比风速大的速度进行旋转,这就严重的限制了它们获取更大能量的能力。一个Darrieus(达里厄)式或称为“打蛋器”式的垂直轴风力发电机是可以实现在两个方向产生功率的,但事实却是,它们经常需要协助才能开始进行旋转。我们所要提到的第三种垂直轴风机是被称为Giromill型风机,该种风机是通过翼型件围绕轴的完整旋转来提供动力。在这种类型中叶片通常会被设计成能够提供足够扭矩的形态,以保证发电机在0转速时能够做到自启动,但由于其固有的大量处于峰值的阻力的存在,速度也受到了限制。在某些翼型设计中方向可以在启动时被最大化,然后调节为高速运转。它也被作为循环或改变当叶片旋转时对风向的角度来获取风能的一种途径。然而,这其中存在这一个很重要的问题,即成本。该类风机的复杂性导致了维修量的增加和发电效率的降低,成本大大增加。因此,对于翼型的调整在所难免。在实际的生产生活中,人们都希望可以创造出一种可以通过调整翼型来达到获取风能最大化的使用简单、成本低廉、操作可靠的垂直轴风力发电机6。14 第2章 垂直轴风机各部件综述2 垂直轴风机各部件综述2.1 叶片框架三维立体图2.1 垂直轴风机翼型件本课题设计是属于垂直轴类型发电机,是一种提供了可调节翼型方向的操作简化而结构紧凑的机构。这其中包含有多个垂直延伸的较厚前缘部分和轻薄的后缘部分,每个翼型和与其对称的翼型都被固定在靠近底部前缘从下方中心轮毂伸展出的一条臂上。其顶端被地固定在相同的前缘从上端部中心轮毂延伸出来的一条臂上。中心垂直延伸的驱动轴被固定在底部,并形成一个由上下辐条臂组成的旋转型翼盘的顶部中心。中央驱动轴的下端是一种基本的支撑结构,是用于驱动装置的连接,例如,发电机,制冷压缩机,流体泵等等7。翼型的后缘被固定在每个靠近后缘的翼型件顶端。而后缘的相对端则被固定在后缘角度调整毂上。后缘轮毂覆盖在上部辐条臂上,其中的翼型件角度调节机构固定在两者之间。翼型件角度调节机构包括有一个用于定位的沿螺纹载体旋转的螺纹轴电操作螺丝机构,一个通过后缘桨距角调节机构调节和中心控制的中心轮毂,一个固定在调整轴上的风力叶片或舵。2.2 垂直轴风机螺杆电机机构当螺杆电机机构处于零位置时,后缘倾斜角调整轮毂与两线上下部前缘轮毂共同延伸出的轴线绕同一中心轴旋转。这一部分设计是为了使得这个零件的翼型件线性延伸与切线平行于旋转圆。此时翼型件具有零桨距角。当螺杆电机机构的操作由此中心轴以距离D分离并移动到相对于上述中前缘倾斜角控制集线器及其相关联的后缘辐条臂时,此次通过俯仰角相对于零位置切线位置的移动导致了翼型件后缘的运动。如果前缘连接点的中心轴与轮辐臂之间的距离被定为C的话,则其所得到的倾斜角就具有最大值且最大值等于D/C的反正弦8。在操作中,我们也需要了解到调节机构可以凭借安装方法保持相对静止,并可以与在特定时间所产生的风向下保持相对静止的舵进行连接。同时也可以理解的是,由于后缘中心辐射结构基本上是刚性的,翼型件之间隔开180,即,在彼此相对的两侧,将具有相反的角度。因此,在任意一个旋转过程中,在旋转机构前半部分的翼型件将具有正值而后半部分翼型件将具有负值。角度用于描述在360翼型转盘的旋转过程中,以0为点直面风向的弧旋转的角度。处在0角的翼型具有最大的角,也就是说,当翼型处于180角时,它的角度为负值。舵作为改变风向的机构,它将会相应的移动之前所讲的调整机构与翼型旋转有关的后缘调节中枢。这种运动的目的是确保0角度位置能够一直面对翼型件转动后缘轮毂的中心轴的偏心定位,使得翼型件可以在正负角之间来回摆动。从任意一项翼型件后缘部分的运动都可以看出在处于180角时该运动可表达为一个正余弦函数,其中角的值从角为0时的最高值逐渐减小到角为90时的最低值,则当角为180时,角值达到最大负值,而当角变为270时,角度返回变为最大值。这整一个过程代表着完成了一个旋转,最后回到角0的状态。螺杆电机机构可以被理解为用于调节后缘倾斜角调整毂与转盘中心距离的一个机构,同时还能用于调节角的大小。这种能力是设计本课题的最大性能的关键。当启动螺杆电机机构时,我们需要注意的是,一个正的大角度目的是产生空气阻力,由此才有足够的扭矩来对翼型件施加力产生旋转运动,尤其是遇到低风速状态时。因此,一旦具有了足够的转速,角就可以进行减小,以此来减少阻力增加转速9。2.2螺杆电机机构 2.3 垂直轴风机电子控制机构当电子控制机构被连接到螺杆电机机构时,风速和转盘转速将起到调整角度的作用。在电子控制和螺杆电机两个机构中,优选方案所选用的电池都将会是具有可再充性能的电池储备,例如太阳能电池。本课题设计完善了一部分现有技术的不足之处。比如,处于后缘调整毂和上部传送带或前缘轮毂之间的调整机构就可以保护这些部件免受不利天气条件影响。此外,舵与调整轴之间的特殊连接方法也提供了一个垂直而紧凑的机制,比普通机构更加坚固耐用。2.3电子控制示意图 第3章 垂直轴风机叶片选择3垂直轴风机叶片选择3.1 风机叶片数目及叶形3.1.1风机叶片数目目前市场上大多数风机叶片数目为24片,从简单的高中物理来分析的话,在不计摩擦的情况下,叶片的转动其实就是一个风能转化为动能和势能,然后再由势能和动能转化为电能的过程。接下来就从不同数目来分析到底多少片最适合垂直轴风机。两叶式:风力吹动之后,叶片旋转无法连续,在第一个叶片转动时,第二个叶片无法及时跟着转动,会产生较大的阻力。导致风机无法较好的转动,发电功率较低。三叶式:各叶片间夹角为120,在第一个叶片转动时,风向与叶片垂直带动旋转,此时作用最大;而当风向与叶片呈60角时,叶片运动方向与风运动方向逐渐一致时,作用力逐渐减小。但随着第一个叶片角度逐渐增大,第二个叶片也随着角度变化逐步启动。以此类推,三个叶片互相带动10。四叶式:各叶片夹角为90,当第一个叶片启动并呈90时,第二个叶片角度程为0。由于风吹动的不确定性,如果在第二个叶片启动之前产生风力停滞,那么不仅不能产生电能,还会对装置产生损耗。综上所述,三叶式是风能利用率最高的风机种类。3.1.2 风机叶片叶形本课题所设计的垂直轴风机可以采用多种叶形,以下将对三种考虑到的叶形进行分析,通过图片直观的来展示翼型的几何形状。1. 对称翼型(优选):能够提供良好的升降能力和相对较小的失速区域。2. 扁平翼型:可以使用但与对称翼型相比不够有效。3. 单面弧翼型:有效但造价昂贵且在运转过程中所受阻力更大。3.1.2叶形示意图3.2 垂直轴风机发电效率3.2.1风机发电效率计算 风机发电效率的计算公式: 1 风机的输入功率当空气流吹过风轮扫面A时,其质量流量为,每秒所携带的能量为:,其中为空气密度,,通常因风速较低而视为不可压缩流体;v为风速,m/s;A为旋转直径D与高度H的乘积11。2 风机的输出功率 风能发电为间断发电,实际应用中一般将风机所发的电存储到蓄电池再使用,这个过程中必须经过整流、滤波、升压、稳压等过程,电能转换效率进一步下降。将该过程简化后可得公式为,其中R为负载的电阻值;U为负载两端的电压;I为流过负载的电流大小;为电压与电流的功率因素角12。3.2发电机效率实验 第4章 设计图详述4 设计图详述4.1整体机构分析图 如图4.1,4.2中所示垂直轴风机由标号指明。风力机由多个具有前缘部位和后缘部位的垂直延伸翼型件组成。而翼型件的前缘部分则通过下端连接的延伸臂与中心枢轴相连。相对的,翼型件上端由另一延伸臂可转动地连接于中心轮毂的顶部。这部分细节可以在图4.3中详细观察到,每个上端臂都有一个用于插入翼型件启动枢轴的孔,上端臂与翼型件延伸翼面之间还有一个用于连接的销。除此之外,每个翼型件还有一个弹簧复位机构,包含有一个连接上端臂和翼型件在销左右延伸的弹簧。 图4.1中,中心枢轴的驱动轴由上下两个枢纽固定并在中间形成一个翼型件旋转机构。中心枢轴的下端提供了通过皮带和轮滑系统连接的驱动装置,(例如,发电机,制冷压缩机,流体泵极其他类似物。)以及一个底部支撑结构。当然,这个驱动装置也可以直接连接到中心枢轴,与其中一个电枢或工作轴一起共同旋转。 每个翼型件的后缘部分桨距角调整臂都固定在翼型件上端靠近后缘部分或者销上而另一端则固定于后缘倾斜角调整中心毂。再次参考图4.3长C由大销与小销之间沿平分线BL之间的距离决定。后缘倾斜角调整中心毂与上端臂轮毂由螺旋调节机构定位。 4.1整体三维图 4.2整体俯视图4.3翼型件上端4.2部件剖视解析 在图4.4中能详细展示出后缘倾斜角调整中心毂限定的内部容纳区就是螺旋调节机构所在的位置。具体位置则是被固定于分隔器毂盘的一个薄平板上方。分隔器毂盘则是被后缘倾斜角调整中心毂固定并一起旋转。调整机构包括了用于固定薄平板的旋转螺纹轴以及用于定位的螺纹螺母载体和电操作驱动电动机。而后缘倾斜角调整中心毂则由一根小轴固定在载体上。图4.4右半部分涉及到的另一个部分,则是整个机构的舵。首先,舵的整体被一根臂连接到载体中向上延伸的那根小轴上。电子控制装置是用于调节机构的操作使用,同时该控制装置由电池供能。电池是固定在薄平板上,并通过一根导线定位在舵,和通过固定在舵上的光伏太阳能电池充电。舵臂通过传感器系统固定于电子控制装置,传感系统主要是使用无线传输的方式来提供旋转速度和负荷所需的信息。风速计则同样使用无线传输的方式来给控制装置提供相关信息。 当调整机构是在一个零点位置时,中心轴周围的后缘桨距角调整毂与两个共线的上和下前缘臂毂的轴旋转产生的圆延伸出的线处于于同一轴线上。为了更好理解前一句话,可以参照图4.5理解,本设计在此被设计成处于零位置时翼型件的倾斜角为0的状态,由翼型件线性延伸出的线条与线平行相切并据此限定圆的大小。 参照图4.4和图4.6,操作螺丝调整机构时可以使后缘桨距角调整中心毂和与其相关联的后缘倾斜角调整臂,较高中心枢纽发生位置上的变化。其中,中心轴是以距离D相隔开的。翼型件旋转机构的旋转将导致绕中心轴旋转的翼型件前缘部分的运动轨迹形成一个半径为C1的圆,而翼型件后缘的运动轨迹则将形成一个半径为C2的圆。可以理解的是,当翼型件旋转机构旋转时圆C1与圆C2发生偏移时将导致翼型件后缘部分跟随旋转机构向内向外的转动发生位置上的移动并从而引发前缘部分的转动。 后缘部分的移动可以用倾斜角表示,可以写作,大小与L1和圆C1相切时的距离有关。角的最大值()由现有的轴向间距D决定。在本设计中螺丝调整机构可以提供一个很大范围的角值范围,优选范围是从正角90到负角6。因而,我们可以理解图6中的指的是角达到一个相对特别的偏移距离时产生的角度值,如通过螺丝调整机构达到最大值。旋转机构每完成一次完整的旋转过程,翼型件都将旋转360,用角表示翼型件旋转角度。而图6展现的就是角为零即零位置时翼型件的状态,与圆C1半径相交的点直面风向,风向由箭头表示。 在操作中,螺丝调整机构相对静止的保持在后缘桨距角调整中心毂与较高的中心枢纽之间并与向上延伸轴连接,其位置安装的关键在于特定时间的风向。当风向出现变化时舵将带动螺丝调整机构和后缘桨距角调整中心毂进行移动。这一移动的目的是为了保证零角的位置能时刻面对风。因此,当翼型件角从0到90转变时,角的值从最大值逐渐减小到零。随着翼型件角再逐渐增大到180时,后缘部分将完全移动到相反位置,此时角处于最大负值。当角增加至270时,后缘部分产生的角度又逐渐从最大负值回复到零。一个完整旋转过程结束角重新变为零时,后缘部分角重新达到最大值。之后的旋转过程中,角与角的值将不断重复这一过程。翼型件旋转过程中,后缘桨距角调整中心毂导致翼型件在正负角之间来回摇摆。从任意一个翼型件的后缘部分我们都能看出,角度的变化所表示的是一个余弦波函数。其中角从角0时的最大值逐渐减小到角90时的0值,紧接着角180时角变为负值,随着角增大为270值也重回0,最后完成一个完整的旋转过程的最后阶段,角变为0,值再次达到最大峰值。翼型件后缘部分不断交替位置的目的,是为了他们围绕旋转机构顺风和逆风的各半部分能够实现最大空气动力升力,从而取得现有风能资源的最大功率。 图4.7中可以看出,螺丝调节机构改变了垂直中心轴和向上延伸轴的相对位置,在这其中用-D来表示,这是为了提供当角度为0时产生一个负的角度值。在某些高速风值的情况下会产生一些小的负角。图4.8展示的是角为90时翼型件的状态。略小于90的角可以确保后缘倾斜角调整臂能轻松并可靠地返回到一个较小的角,即,不超过90就可以使得翼型件不会处于相反得方向以避免与上端臂之间产生干扰。最大角使垂直中心轴与后缘倾斜角调整臂臂之间产生了一个特定距离表示为D,其函数及弦长C可见图3。角最大值等于D/C的反正弦。在实例中,翼型件的长度为1.2米,二等分线(BL)长度为0.15米,弦长C为0.1米。螺丝调整机构具有能将从零位置起算的正0.91米距离D转变为小负值距离D的能力。负距离值D提供了与图7相关的负6角状态。翼型件前缘上的销位置一般定在整个翼型件重心稍前的位置或是中心。这就提供了翼型件后缘部分向外定向运动的合适G载荷。因此,后缘部分上的销最适宜放置的位置是二等分线(BL)靠近尾端的四分之一处,前缘部分的销则应放置在二等分线(BL)靠近前段的四分之一处。从图可得,上端臂与后缘倾斜角调整臂都包含有电缆,棒,渠道库存并通过这些来影响翼型件的定位与移动。其中,使用G载荷的电缆对于保持拉紧状态很有效果。图3中的弹簧调节机构是用来保证提供服务所需的压力,同时为后缘部分提供正确位置。4.4中心轮毂剖视图4.5零位置翼型件状态4.6轴正偏移状态4.7负角状态4.8安全停止状态4.3 电子控制示意图 参照图4.9可知,电子控制机构1接收来自传感器系统2的信息,传感器信息包括转盘旋转传感器3以及负载传感器4的输入。电子控制机构还从风速传感器5中接受信息,例如风速计。所有信息的传送都采用无线传输的方式。控制机构通过螺丝调节机构来调整偏移距离D和角度值。控制机构和调节机构均由电池8供电,而电池则由太阳能板9管理。控制机构1和传感系统2都用于制动机构7以控制旋转机构的减缓或停止。 通过旋转机构的旋转速度,当前风速,驱动装置上的负载等数据可以得出控制机构的偏移距离D和角度。在具有零转盘旋转速度和在其强度足以影响转盘旋转的风启动时,控制机构将产生比较大的角的信号,通常为45的量级。较大的角度可以产生足够的升力引起转动。一旦旋转开始进行,控制机构将发送信号给调整机构,以减少偏移D。这就不难理解,较大的角为了开始旋转产生了一个升力,但这是以产生一个较大比例气动阻力为代价的。这种阻力会限制为给定的风速达到的最大传送带的转速,从而降低角并将减少阻力,允许更快的旋转和取得更多的风能,提高利用率13。 有一个问题是困扰着所有风力发电机的,那就是大风条件下的速度问题。根据现有风速来看,本设计翼型前缘部分或顶端部分的旋转速度可高达10。因此,如果遇到一个风速会导致过快转动或对本设计各部分造成过大压力,控制机构可以通过将驱动装置上的负荷减少和/或通过增加角度来达到增加阻力,减慢转动的效果14。如果这些方法都不足以维持低于设计安全极限转速,制动机构就可以通过控制机构或预防传感器系统接合,特别是在非常高的风速状况下,其中涡轮机结构的主要目标不再是提取能量而是保证自身不受损坏,即图8中出现的情况。在此种状况下,在此角度的所有翼型件将基本上与风平行的,不能提供升力,并因此,很少或基本没有产生转动。4.9电子控制 第5章 结论 5 结 论近年来随着清洁能源产业的大力发展,风能的利用越来越受到关注。由于垂直轴风机体积小,噪声低,利用率高等种种优点,使其在未来的能源发展过程中应用前景十分开阔。本设计主要是针对市场上现存的垂直轴风机进行改善,在进一步提升用能效率的同时,力求在保持垂直轴风机叶片正常旋转的基础上,满足叶片自身偏转的要求,并保证偏转角度,防止造成叶片损伤。从结构等方面进行设计改造,制造出新型垂直轴风机。在对翼型件部分进行改良后,本设计仍存在着种种不完善之处。例如,叶片偏转角度控制等问题,且从设计到实物的生产中也会不可避免的遇到困难。总体而言,在成本几乎不增长的情况下,本设计不仅提升了利用率,而且减少了叶片的损耗,在实际应用中会取得更好的使用效果。 参考文献参考文献1 百度文库2 美国通用电气公司.多段式风力涡轮机叶片和用于组装该叶片的方法P.中国专利: 200810188672,2009-06-24.3 王承煦,张源.风力发电M.北京:中国电力出版社,2002.4 廖明夫,R.Gasch,J.Twele.风力发电技术M.西安:西北工业大学出版社,2009.5 李俊峰等.中国风电发展报告M.北京:中国环境科学出版社,2012.6 郭太英,黎发贵.从国外风电发展探讨我国风电发展思路J.水电勘测设计,20067 黄继雄.风力机专用新翼型及其气动特性研究:D.汕头大学,20018 唐进.提高风力机翼型气动性能的研究:D.清华大学,20049 包耳,邵晓荣,刘德庸.风力机叶片设计的新方法J.机械设计,2005,22(2):24-2610 张石强.风力发电机专用翼型及叶片关键设计理论研究D.重庆:重庆大学,201011 吴伟斌,改善垂直轴风机效率的叶片转动惯量实验研究。华南农业大学,2013,3412 刘桂霞,垂直轴风机的参数优化设计。河北建筑工程学院,201013 J.Selwin.Rajadurai,T.Christopher,G.Thanigaiyarasu3B-Nageswara Rao.Finite element analysis with an improved failure criterion for composite wind turbine blades J.Forschung im Ingenieurwesen,2008,72(4): 193-207.14 M.Grujicic,G.Arakere,E.Subramanian,V.Sellappan,A.Vallejo, M.Ozen.Structural-Response Analysis,Fatigue-Life Prediction,and Material Selection for 1MWHorizontal-Axis wind-Turbine BladesJ.Materials Engineering and Performance, 2010,19(6):790-801.15 致谢致 谢本次毕业设计感谢我的导师姜劲老师对我的细心指导,在他的指导下我顺利完成了毕业设计及论文。从毕业设计选题初期到最终的论文设计完成,多亏了姜老师给予我无限的包容与理解,我才能解决各种难题,完成最终的设计。另外,姜老师拥有严谨的科学态度,在毕业设计过程中对我们严格要求,同时也在我遇到困难感到压力时及时排忧解惑,对于问题更是有独到的见解和处理方式,所有这些都让我受益匪浅。感谢校领导和学院的其他老师,感谢我的母校金陵科技学院,在这里四年的校园生活将成为我以后生活中的美好回忆,本文参考了大量的文献资料,感谢各位学术界的前辈们16毕 业 设 计(论 文)任 务 书设计(论文)题目:竖轴风机变角机构设计 学生姓名: 学 号: 专 业: 所在学院: 指导教师: 职 称: 20xx年 2月 27日任务书填写要求1毕业设计(论文)任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写,经学生所在专业的负责人审查、系(院)领导签字后生效。此任务书应在毕业设计(论文)开始前一周内填好并发给学生。2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写,不得涂改或潦草书写;或者按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,要求正文小4号宋体,1.5倍行距,禁止打印在其它纸上剪贴。3任务书内填写的内容,必须和学生毕业设计(论文)完成的情况相一致,若有变更,应当经过所在专业及系(院)主管领导审批后方可重新填写。4任务书内有关“学院”、“专业”等名称的填写,应写中文全称,不能写数字代码。学生的“学号”要写全号,不能只写最后2位或1位数字。 5任务书内“主要参考文献”的填写,应按照金陵科技学院本科毕业设计(论文)撰写规范的要求书写。6有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如“2002年4月2日”或“2002-04-02”。毕 业 设 计(论 文)任 务 书1本毕业设计(论文)课题应达到的目的: 本课题属于教师自主命题,来源于工程实践。目的:1、通过本课题的设计研究,考察学生四年来在校所学的专业知识水平及运用专业知识解决设计项目的创新能力;2、通过本课题的研究使学生系统的熟悉机械设计分析及掌握相关的设计手法。 3、通过本课题使学生熟练掌握制图方法、规范设计图纸画法以及提高使用设计软件解决应用问题的能力。 2本毕业设计(论文)课题任务的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等): 内容:本课题为垂直轴风机叶片变偏角机构设计,本设计力求在保证风机旋的基础上,同时满足叶片自身的转动,并控制叶片转动的角度,以免造成叶片损伤,从动力装置、保护措施、外形等方面打造变偏角机构设计,创造出新型垂直轴风机。本课题技术要求:1、创造性:设计应为原创。设计作品应具有较强的创新内涵,注重设计思考与设计表达的统一。2、功能性:注重实用功能,在外形美观的同时发挥实用功效。3、合理性:垂直走风机叶片的设计要考虑叶片受力情况,并从这方面入手合理选择材料及设计手法。 本课题研究的工作要求:1、前期准备:查找国内外垂直轴风机实例,研究叶片部分结构。2、查阅文献资料:风力发电、风机翼型研究、材料力学等相关书籍资料和网站。完成设计方案,设计图纸。 毕 业 设 计(论 文)任 务 书3对本毕业设计(论文)课题成果的要求包括图表、实物等硬件要求: 1、设计图纸: 装配图,零号图2、设计说明书。4主要参考文献: 1王承煦,张源.风力发电M.北京:中国电力出版社,2002.2廖明夫,R.Gasch,J.Twele.风力发电技术M.西安:西北工业大学出版社,2009.3李俊峰等.中国风电发展报告M.北京:中国环境科学出版社,2012.4郭太英,黎发贵.从国外风电发展探讨我国风电发展思路J.水电勘测设计,2006.5黄继雄.风力机专用新翼型及其气动特性研究:D.汕头大学,20016唐进.提高风力机翼型气动性能的研究:D.清华大学,20047沈观林,胡更开.复合材料力学M.北京:清华大学出版社,2006.8赵美英,陶梅贞.复合材料结构力学与结构设计M.西安:西北工业大学出版社,20079美国通用电气公司.多段式风力涡轮机叶片和用于组装该叶片的方法P.中国专利:200810188672,2009-06-24.10张石强.风力机专用翼型及叶片关键设计理论研究D.重庆:重庆大学,2010.11刘雄,陈严,叶枝全.风力机桨叶总体优化设计的复合形法J.太阳能学报2001,22(2):157-161.12Tony Burtyon著,武鑫译.风能技术M.北京:科学技术出版社,200713包耳,邵晓荣,刘德庸.风力机叶片设计的新方法J.机械设计,2005,22(2):24-2614赵丹平.风力发电机组叶片模型气动载荷研究D.内蒙古农业大学200915黄华.风力机风轮叶片设计计算方法研究D.西华大学200816J.Selwin Rajadurai,T.Christopher,G.Thanigaiyarasu3B-Nageswara Rao.Finiteelement analysis with an improved failure criterion for composite windturbine blades J.Forschung im Ingenieurwesen,2008,72(4): 193-207.17M.Grujicic,G.Arakere,E.Subramanian,V.Sellappan,A.Vallejo,M.Ozen.Structural-Response Analysis,Fatigue-Life Prediction,and Material Selection for 1MWHorizontal-Axis wind-Turbine BladesJ.Materials Engineering and Performance, 2010,19(6):790-801.18Jayantha A.Epaarachchi,Philip D. Clausen.The development of a fatigueloading spectrum for small wind turbine bladesJ Journal of wind engineeringand industrial aerodynamics,2006,94(4):207-223.19J.C.Marin,A.Barroso,F.Paris,J.Carias.Study of fatigue damage in wind tubineblades J . Engineering Failure Analysis,2009,16(2):656-666.20Changduk Kong,Taekhyun Kim,Dongju Han,Yoshihiko Sugiyama.Investigation of fatigue life for a medium scale composite wind turbine bladeJ Journal of Fatigue,2006,28(10):1382-1388.119毕 业 设 计(论 文)任 务 书5本毕业设计(论文)课题工作进度计划:20xx.12.16-20xx.1.10 领任务书、开题20xx.2.25-2.16.3.9 毕业实习调研,完成开题报告、中英文翻译、论文大纲20xx.3.19-20xx.4.25 提交论文草稿,4月中旬中期检查20xx.4.26-20xx.5.6 提交论文定稿20xx.5.6-20xx.5.13 准备答辩20xx.5.13-20xx.5.26 答辩,成绩评定,修改完成最终稿 所在专业审查意见:通过负责人: 年 月 日 毕 业 设 计(论 文)外 文 参 考 资 料 及 译 文译文题目: 材料力学的分析与设计 学生姓名: 学 号: 专 业: 所在学院: 指导教师: 职 称: 20xx年 2月 27日说明:要求学生结合毕业设计(论文)课题参阅一篇以上的外文资料,并翻译至少一万印刷符(或译出3千汉字)以上的译文。译文原则上要求打印(如手写,一律用400字方格稿纸书写),连同学校提供的统一封面及英文原文装订,于毕业设计(论文)工作开始后2周内完成,作为成绩考核的一部分。OBJECTIVESThe main objective of a basic mechanics course should be to develop in the engineering student the ability to analyze a given problem in a simple and logical manner and to apply to its solution a few fundamental and well-understood principles. This text is designed for the first course in mechanics of materialsor strength of materials offered to engineering students in the sophomore or junior year. The authors hope that it will help instructors achieve this goal in that particular course in the same way that their other texts may have helped them in statics and dynamics. GENERAL APPROACH In this text the study of the mechanics of materials is based on the understanding of a few basic concepts and on the use of simplified models. This approach makes it possible to develop all the necessary formulas in a rational and logical manner, and to clearly indicate theconditions under which they can be safely applied to the analysis and Designation nonfactual restructurings and machine components.Design Concepts Are Discussed Throughout the Text When-ever Appropriate. A discussion of the application of the factor of safety to design can be found in Chap. 1, where the concepts of both allowable stress design and load and resistance factor design are presented.A Careful Balance Between SI and U.S. Customary Units Is Consistently Maintained. Because it is essential that students be able to handle effectively both SI metric units and U.S. customary units, half the examples, sample problems, and problems to be assigned have been stated in SI units and half in U.S. customary units. Since a large number of problems are available, instructors can assign problems using each system of units in whatever proportion they find most desirable for their class.IntroductionThe main objective of the study of the mechanics of materials is to provide the future engineer with the means of analyzing and designing various machines and load-bearing structures.Both the analysis and the design of a given structure involve the determination of stresses and deformations. This first chapter is devoted to the concept of stress.Section 1.2 is devoted to a short review of the basic methods of statics and to their application to the determination of the forces in the members of a simple structure consisting of pin-connected members.Section 1.3 will introduce you to the concept of stress in a member of a structure, and you will be shown how that stress can be determined from the force in the member. After a short discussion of engineering analysis and design (Sec. 1.4), you will consider successively the normal stresses in a member under axial loading (Sec. 1.5), the shearing stresses caused by the application of equal and opposite transverse forces (Sec. 1.6), and the bearing stresses created by bolts and pins in the members they connect (Sec. 1.7). These various concepts will be applied in Sec. 1.8 to the determination of the stresses in the members1.2A SHORT REVIEW OF THE METHODS OF STATICSIn this section you will review the basic methods of statics while determining the forces in the members of a simple structure.Consider the structure shown in Fig. 1.1, which was designed to support a 30-kN load. It consists of a boom AB with a 30 3 50-mm rectangular cross section and of a rod BC with a 20-mm-diameter circular cross section. The boom and the rod are connected by a pin at B and are supported by pins and brackets at A and C, respectively. Our first step should be to draw a free-body diagram of the structure by detaching it from its supports at A and C, and showing the reactions that these supports exert on the structure (Fig. 1.2). Note that the sketch of the structure has been simplified by omitting all unnecessary details. Many of you may have recognized at this point that AB and BC are two-force members. For those of you who have not, we will pursue our analysis, ignoring that fact and assuming that the directions of the reactions at A and C are unknown. Each of these reactions, therefore, will be represented by two components, Ax and Ay at A, and Cx and Cy at C. We write the following three equilibrium equations:We have found two of the four unknowns, but cannot determine the other two from these equations, and no additional independent equation can be obtained from the free-body diagram of the structure. We must now dismember the structure. Considering the free-body diagram of the boom AB (Fig. 1.3), we write the following equilibrium equation:Substituting for Ay from (1.4) into (1.3), we obtain Cy=+30 kN. Expressing the results obtained for the reactions at A and C in vector form, we haveWe note that the reaction at A is directed along the axis of the boom AB and causes compression in that member. Observing that the components Cx and Cy of the reaction at C are, respectively, proportional to the horizontal and vertical components of the distance from B to C, we conclude that the reaction at C is equal to 50 kN, is directed along the axis of the rod BC, and causes tension in that memberThese results could have been anticipated by recognizing that AB and BC are two-force members, i.e., members that are subjected to forces at only two points, these points being A and B for member AB, and B and C for member BC. Indeed, for a two-force member the lines of action of the resultants of the forces acting at each of the two points are equal and opposite and pass through both points. Using this property, we could have obtained a simpler solution by considering the free-body diagram of pin B. The forces on pin B are the forces FAB and FBC exerted, respectively, by members AB and BC, and the 30-kN load (Fig. 1.4a). We can express that pin B is in equilibrium by drawing the corresponding force triangle (Fig. 1.4b).Since the force FBC is directed along member BC, its slope is the same as that of BC, namely, 3/4.We can, therefore, write the proportion:from which we obtain:The forces F9AB and F9BC exerted by pin B, respectively, on boom AB and rod BC are equal and opposite to FAB and FBC (Fig. 1.5).Knowing the forces at the ends of each of the members, we can now determine the internal forces in these members. Passing a section at some arbitrary point D of rod BC, we obtain two portions BD and CD (Fig. 1.6). Since 50-kN forces must be applied at D to both portions of the rod to keep them in equilibrium, we conclude that an internal force of 50 kN is produced in rod BC when a 30-kN load is applied at B. We further check from the directions of the forces Fbc and Fbc in Fig. 1.6 that the rod is in tension. A similar procedure would enable us to determine that the internal force in boom AB is 40 kN and that the boom is in compression.1.3 STRESSES IN THE MEMBERS OF A STRUCTUREWhile the results obtained in the preceding section represent a first and necessary step in the analysis of the given structure, they do not tell us whether the given load can be safely supported. Whether rod BC, for example, will break or not under this loading depends not only upon the value found for the internal force FBC, but also upon the cross-sectional area of the rod and the material of which the rod is made. Indeed, the internal force FBC actually represents the resultant of elementary forces distributed over the entire area A of the cross section (Fig. 1.7) and the average intensity of these distributed forces is equal to the force per unit area, FBCyA, in the section.Whether or not the rod will break under the given loading clearly depends upon the ability of the material to withstand the corresponding value FBCyA of the intensity of the distributed internal forces. It thus depends upon the force FBC, the cross-sectional area A, and the material of the rod.The force per unit area, or intensity of the forces distributed over a given section, is called the stress on that section and is denoted by the Greek letter s (sigma). The stress in a member of cross-sectional area A subjected to an axial load P (Fig. 1.8) is therefore obtained by dividing the magnitude P of the load by the area A:A positive sign will be used to indicate a tensile stress (member in tension) and a negative sign to indicate a compressive stress (member in compression).Since SI metric units are used in this discussion, with P expressed in newtons (N) and A in square meters (m2), the stress swill be expressed in N/m2. This unit is called a pascal (Pa). However, one finds that the pascal is an exceedingly small quantity and that, in practice, multiples of this unit must be used, namely, the kilopascal (kPa), the megapascal (MPa), and the gigapascal (GPa).We haveWhen U.S. customary units are used, the force P is usually expressed in pounds (lb) or kilo-pounds (kip), and the cross-sectional area A in square inches (in2). The stress s will then be expressed in pounds per square inch (psi) or kilo-pounds per square inch (ksi).1.4ANALYSIS AND DESIGNConsidering again the structure of Fig. 1.1, let us assume that rod BC is made of a steel with a maximum allowable stress all =165 MPa. Can rod BC safely support the load to which it will be subjected? The magnitude of the force FBC in the rod was found earlier to be 50 kN. Recalling that the diameter of the rod is 20 mm, we use Eq. (1.5) to determine the stress created in the rod by the given loading. We haveSince the value obtained for s is smaller than the value sall of the allowable stress in the steel used, we conclude that rod BC can safely support the load to which it will be subjected. To be complete, our analysis of the given structure should also include the determination of the compressive stress in boom AB, as well as an investigation of the stresses produced in the pins and their bearings. This will be discussed later in this chapter. We should also determine whether the deformations produced by the given loading are acceptable. The study of deformations under axial loads will be the subject of Chap. 2.An additional consideration required for members in compression involves the stability of the member, i.e., its ability to support a given load without experiencing a sudden change in configuration. This will be discussed in Chap. 10.The engineers role is not limited to the analysis of existing structures and machines subjected to given loading conditions. Of even greater importance to the engineer is the design of new structures and machines, that is, the selection of appropriate components to perform a given task. As an example of design, let us return to the structure of Fig. 1.1, and assume that aluminum with an allowable stress all= 5 100 MPa is to be used. Since the force in rod BC will still be P 5 FBC 5 50 kN under the given loading, we must have,from Eq. (1.5),We conclude that an aluminum rod 26 mm or more in diameter will be adequate.AXIAL LOADING; NORMAL STRESSAs we have already indicated, rod BC of the example considered in the preceding section is a two-force member and, therefore, the forces Fbc and Fbc acting on its ends B and C (Fig. 1.5) are directed along the axis of the rod. We say that the rod is under axial loading. An actual example of structural members under axial loading is provided by the members of the bridge truss shown in Photo 1.1.Returning to rod BC of Fig. 1.5, we recall that the section we passed through the rod to determine the internal force in the rod and the corresponding stress was perpendicular to the axis of the rod; the internal force was therefore normal to the plane of the sec-tion (Fig. 1.7) and the corresponding stress is described as a normal stress. Thus, formula (1.5) gives us the normal stress in a member under axial loading:We should also note that, in formula (1.5), s is obtained by dividing the magnitude P of the resultant of the internal forces distributed over the cross section by the area A of the cross section; it represents, therefore, the average value of the stress over the cross section, rather than the stress at a specific point of the cross section.To define the stress at a given point Q of the cross section, we should consider a small area DA (Fig. 1.9). Dividing the magnitude of DF by DA, we obtain the average value of the stress over DA. Letting DA approach zero, we obtain the stress at point Q:In general, the value obtained for the stress s at a given point Q of the section is different from the value of the average stress given by formula (1.5), and s is found to vary across the section. In a slender rod subjected to equal and opposite concentrated loads P and P9 (Fig. 1.10a), this variation is small in a section away from the points of application of the concentrated loads (Fig. 1.10c), but it is quite noticeable in the neighborhood of these points (Fig. 1.10b and d).But the conditions of equilibrium of each of the portions of rod shown in Fig. 1.10 require that this magnitude be equal to the mag-nitude P of the concentrated loads. We have, therefore,which means that the volume under each of the stress surfaces inFig. 1.10 must be equal to the magnitude P of the loads. This, however, is the only information that we can derive from our knowledge of statics, regarding the distribution of normal stresses in the various sections of the rod. The actual distribution of stresses in any given section is statically indeterminate. To learn more about this distribution, it is necessary to consider the deformations resulting from the particular mode of application of the loads at the ends of the rod.This will be discussed further in Chap. 2.In practice, it will be assumed that the distribution of normalstresses in an axially loaded member is uniform, except in the immediate vicinity of the points of application of the loads. The value of the stress is then equal to and can be obtained from formula(1.5). However, we should realize that, when we assume a uniform distribution of stresses in the section, i.e., when we assume that the internal forces are uniformly distributed across the section, it follows from elementary statics that the resultant P of the internal forces must be applied at the centroid C of the section (Fig. 1.11). This means that a uniform distribution of stress is possible only if the line of action of the concentrated loads P and P9 passes through the centroid of the section considered (Fig. 1.12). This type of loading is called centric loading and will be assumed to take place in all straight two-force members found in trusses and pin-connected structures, such as the one considered in Fig. 1.1. However, if a two-force member is loaded axially, but eccentrically as shown in Fig. 1.13a, we find from the conditions of equilibrium of the portion of member shown in Fig. 1.13b that the internal forces in a given section must be equivalent to a force P applied at the centroid of the section and a couple M of moment M 5 Pd. The distribution of forcesand, thus, the corresponding distribution of stressescannot be uniform. Nor can the distribution of stresses be symmetric as shown in Fig. 1.10. This point will be discussed in detail in Chap. 4. 材 料 力 学一个基本的力学课程的主要目的应该是提供给工科学生发展到分析给定问题一个简单而合乎逻辑的方式,并应用到其解决一些基本的和易于理解的原则的能力。本文是专业材料,是为大二或大三工科学生提供的材料 - 强度力学第一期课程。作者希望这将以同样的方式帮助教师实现这个目标,其他文章可以在静态和动态两方面也能帮助他们。在这段文字材料中,力学的研究是基于几个基本概念的理解和使用简化的模型。这种方法使得有可能开发出理性和合乎逻辑的方式的所有必要公式,在清楚地指示下,他们可以安全地施加到分析和指定非事实重组和机器部件的条件。设计概念在整个文本中只要是合理的位置都进行了讨论。安全设计的要素应用的讨论可以在11.2节找到。无论在哪里许用应力设计载荷和阻力系数设计的概念介绍都可以找到。SI和美国习惯单位之间的谨慎平衡始终保持。 因为它是必不可少的学生能够有效地处理这两种SI公制单位和美国惯用单位,有一半的例子说明,采样的问题,和要分配在SI单位和一半的美国惯用单位已陈述的问题。由于大量的问题是可用的,教师可以以仍宜比例分配使用的,他们发现最希望为他们发现的类单元,每个单元的系统问题。材料力学的研究的主要目标是提供一种具有分析和设计各种机器和承重结构的装置能力的未来工程师。既分析并设计一个给定结构的涉及应力和变形的测定。这第一章介绍应力的概念。1.2节所专门介绍的是静力学和他们在由简单结构的成员力量的中心的基本方法连接方面的应用。1.3节将向您介绍应力的一个概念结构的成员,你将看到压力如何可以从该成员的力量来决定。在工程分析和设计(1.4节)的一个简短的讨论后,你会陆续考虑成员在轴向载荷(1.5节)的正应力,造成相等,方向相反的横向力的应用程序(1.6节)的剪切应力,并通过螺栓和销的成员的连接所创建的承载压力(1.7节)。这些不同的概念将在1.8节中被应用,并对应力的成员进行判断。有关静力学的简短评述在本节中,你将会学习到一种确定简单结构各部分受力的基本静力学方法。考虑图1.1所示的结构,它被设计为可以支持30千牛的负荷的载体。它由一个用30* 50毫米矩形横截面的悬臂AB和直径20毫米的圆形横截面的杆组成。起重臂和杆通过在B中的销连接,并且通过销和支架在A和C,分别支承。我们的第一个步骤应该是从其在A和C支持之中分离,再将其表明这些支持在结构(图1.2)发挥反应绘制结构的自由体图。需要注意的是该结构的草图已经通过省略所有不必要的细节简化。很多人可能在这一点上已经认识到,AB和BC是两个力的成员。对于那些你们没有,我们将继续我们的分析,忽略了这一事实,并假设在A和C反应的方向是未知的。因此,这些反应中的每一个都将由两部分组成,Ax和Ay在A和Cx和Cy在C.我们写以下三个平衡方程来表示我们已经发现了两个的四个未知数,但并不能从这些方程中确定其它两个,并且也不能从该结构的自由体图获得额外的独立方程。我们现在必须拆分结构。考虑到杆AB(图1.3),我们编写以下平衡方程的自由体图 将Ay从(1.4)代入到(1.3),我们可以得到Cy=+30千牛。将它表示为在A和C中的矢量形式的反应所获得的结果,我们有我们注意到,在A中的反应是沿着吊杆AB的轴线定向并且使得压缩该构件。观察该元件Cx和中C反应Cy分别是,正比于从B到C的距离的水平和垂直分量,我们得出结论,在C反应等于50千牛,沿轴线定向杆BC,并导致该成员的张力这些结果可能已经通过识别AB和BC两种力件,即,是在只有两点承受力的成员,这些点是A和B构件AB和B和C件BC的预期。的确,对于两力构件在每个两分的作用的力的合力的作用线是相等且相反的并穿过两个点。利用这个特性,我们可以考虑销B的自由体图上针B上的力量是FAB和FC施加的力,分别由成员AB和BC,以及30千牛负荷(获得一个简单的解决方案图1.4A)。我们可以表达该引脚B是平衡通过绘制相应的力三角形(图1.4B)。既然我们已知每个部件的端部的力,那么我们现在可以确定在这些部件的内力。在上一章节杆BC是一些随意点D传递一个的部分,我们因此得到两个部分BD和CD(图1.6)。因为50千牛的力必须在D点被施加到杆来保持他们在两部分的平衡,我们得出结论,50千牛的内力施加在杆时产生了一个30千牛的负荷,在B处施加时我们进一步检查从力Fbc和Fbc在图1的方向入手。 1.6该杆在张力状态。类似的程序将使我们能够确定在杆AB内部的力是40千牛,而且杆AB处于压缩状态。应力结构的成员当在前面章节的内容部分中所获得的结果表示在给定结构的分析的第一也是必要的步骤,即它们并没有告诉我们是否给定的负载可以安全地支撑。例如棒BC,是否将打破或此载荷向下不向下不仅取决于找到的内力Fbc,而且还取决于该杆的横截面面积和的杆制成的材料中的值。事实上,内力FBC实际上表示的是分布在该横截面的整个面积A基本力的合力(图1.7)和这些分布式力的平均强度等于在该部的每单位面积/FBCyA的力。无论杆是否将打破下给定负载显然取决于材料的承受分布式内力的强度对应的值FBC的能力。因而它取决于力FBC,截面积A,和每单位面积,或分布在杆一个给定的部分上的力的强度。力的材料,被称为在该部分中的应力并由希腊字母S(西格玛)表示。承受的轴向载荷P是由横截面面积A的一个成员的应力(图1.8)除以面积A的负荷的值P因此得到的。正号被用来表示一个拉伸应力(构件在张力)而负号来表示压缩应力(构件在压缩)。SI公制单位将在该讨论中使用,其中P在牛顿(N)和A的平方米(m2)表示,所述应力将以牛顿/米(N/m2)来表示。这个单位被称为帕斯卡(Pa)。然而,人们发现,帕斯卡是一个非常小的量,而且,在实践中,必须使用本单位的倍数,即千帕(kPa)的时,兆帕,和吉帕斯卡量(GPa)。当使用美国惯用单位,力P通常以磅(磅)或千磅(千磅),并以平方英寸(英寸2)的横截面面积A来表示。应力将以磅每平方英寸(psi)或千磅每平方英寸(ksi)的形式来表达。材料力学的应用与设计再次考虑图1.1的结构,让我们假定杆BC是由铁制成的并且最大允许应力=165兆帕。请问杆 BC杆是否可以安全地支持其将受到的负荷?之前发现的在杆FBC所受的力的大小是50千牛,以及杆的直径为20毫米,我们使用公式(1.5),以确定由给定负载在杆产生的应力。 因为对于s获得的值是大于所使用的钢的允许应力的s的小,我们的结论是杆可以安全地支持负载到其将要进行的活动。我们给定结构的分析是完整的,也应包括在杆AB压应力的中心,以及在销和轴承产生的应力调查。这将在本章的后面进行讨论。我们还应该确定由给定的载荷所产生的变形是否是可接受的。变形的轴向载荷下的研究将是下章的主题。在受压构件需要额外考虑涉及构件的稳定性,即,它能够支持一个给定的负荷没有经历在结构的突然变化的能力。这也将在下章讨论。工程师的角色并不限于受给定的负荷条件现有结构和机器的分析。对于工程师来说更重要的是新的结构和机械的设计,也就是,相应的组件的选择,以完成执行给定任务。作为设计的一个例子,让我们回到图1.1的结构,并且假定该结构是由铝制成与许用应力= 5100兆帕。因为杆bc所受的力仍然会为给定负载下p=Fbc=50千牛。我们得出结论,在由铝制成的前提下杆的直径只要26毫米或以上就足够了。轴力;正应力我们已经指出,在上一节中考虑的示例的杆BC是一个两力构件,因此,该杆所受的力FBC和Fbc作用在其端部B和C(图1.5)沿轴线定向。我们说的杆下的轴向载荷。在轴向载荷结构件的实际例子是,照片1.1所示的桥架。回到图1.5所展示的棒bc,我们记得,我们通过杆传递的部分,以确定在杆内力和对应的应力是垂直于杆的轴线;内力因此垂直于部分(图1.7)的平面与相应的应力被描述为一个正常的应力。因此,式(1.5)给我们下轴向载荷成员正应力。我们还应该注意的是,在式(1.5)中,s是通过将分布在由所述横截面的面积A的横截面的内力的所得的值P得到的;因此,它代表应力在横截面的横截面的特定点上的平均值,而不是压力。在横截面的给定的点Q定义应力,我们应该考虑的小区域DA(图1.9)。一天划分DF的大小,我们得到了强调DA的平均值。让DA趋近于零,我们在获得Q点的应力。在一般情况下,在段的一个给定的点Q的应力小号得到的值是从由通式(1.5)给出的平均应力值不同,并且s是在整个部分而变化。在经受相等且相反的集中载荷P和P9(图1.10A)一细长杆,该变化是在一个部分从集中载荷(图1.10c)分离开来的,但它明显是在这点(图1.10B和d)附近。这意味着,在根据每个应力面的体积图。 1.10必须等于所述负荷的大小P。然而,这是我们可以从我们的静力学的知识推导出,对于正应力在杆的不同部分分配的唯一信息。应力在任何给定部分的实际分配是静态的不确定的。要了解更多关于这种分布,有必要考虑负载的应用在下一章中进一步讨论的.这个棒的末端的特定模式所产生的变形。在实践中,将假定的正常分布在轴向加载构件的应力是均匀的,除了在负载的应用的点的附近。应力的值则可从式(1.5)来获得。但是,我们应该认识到,当我们假定应力的部分,即均匀分布,当我们假定内力均匀分布在部分分布,从基本的静态遵循,内部的合力p必须在段(图1.11)的质心C下施加。这意味着,应力的均匀分布是可能的,只有该集中载荷的P动作和P9的线通过考虑(图1.12)部分的质心。这种类型的负荷被称为中心装载和将被假定为发生在桁架和销连接结构,如一个在图1.1中视为找到的所有直两力的成员。然而,如果两力构件被轴向加载,但偏心如图。 1.13a,我们从图中所示的构件的一部分的平衡的条件下找到。 1.13b在截面的形心和力矩M 5的Pd几辆M,在一个给定的部分的内力必须等于一个力P施加的分布力,因此,对应的分布的应力是不可能均匀的。应力的分布,也不可以是对称的,如图1.1所示这一点也将在下一章中进行详细讨论。
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