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

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-

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

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

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

 
+
 
∂
 
∂
 
+
 
∂
 
 
∂ ∂
 
 
+
 
 
∂ ∂
 
 
∂
 
 
 
∂
 
=
 
 








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

 
   
 
   
 
   
 
 
(2.4)

)1(
2112
1
11
νν
−
=
E
Q
)
2112
1(
121
2112
νν
ν
−
==
E
QQ

;
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.

k
k
z
n
s s
k
k
z
z
N dz
R
σ
+
=
= −
∑
∫
;
∑
∫
=
+
−=
n
k
z
z
rr
k
k

σ

[ ]
1
1
2
(1 )
k
k
z
n
s s
k
k
z
z
M zdz
R
σ
+
=
= −
∑
∫
;
∑
∫
=
+
−=

z
M zdz
R
σ
+
=
= −
∑
∫
;
∑
∫
=
+
−=
n
k
z
z
rsrs
k
k
zdz
R
z
M
1
1
1
)1(

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.

N
A A A B B B
N
B B B D D D
M
B B B D D D
M
B B B D D DM
A A
Q
A A
Q

 

 
 
 
 

 
=

 
 
 
 
 
 
  


 

 

 

 

 

 
 
 
 

 
(2. 8)
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
h
b
a
R
1
R








∂
∂
=
ξ
ξ
ξξξ
ξ
0
222
)( d
zyx
s
-9-
∫








∂

)( d
zyx
r
(3.1)
Trong đó
[ ]
1,1,
−∈
ηξ
.
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
u
v
u
v
z
y
x
+
=
Hình 3.2. Tổ hợp của phần tử vỏ
Như vậy, phương trình sẽ được viết lại như sau:
b b b
m m m
z

Cuối cùng, ta xác định được ma trận độ cứng chung như sau:
-10-
. .
T
global e
K T K T
=
(3.4)
3.3.2. Quy đổi về lực nút
[ ]
{ }
∫∫∫∫
=
e
S
T
P
T
e
S
dS)y,x(pBadS)y,x(w)y,x(p
(3.5)
3.3.3. Hệ phương trình phần tử hữu hạn
11 11 1 1
1 1
2
2 2 2
21 22
1 2
1 2

Q F
k k k k
 
   
 
   
 
   
 
   
 
=
   
 
   
 
   
 
   
 
   
   
 
(3.6)
CHƯƠNG IV.
XÂY 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

−−=N
;
)1)(1(
4
1
2
ηξ
−+=N
;
)1)(1(
4
1
3
ηξ
++=N
;
)1)(1(
4
1
4
ηξ
+−=N
(4.1)
4.4. Mô hình chia lưới phần tử
Chọn biên dạng NACA 4 số đối xứng (NACA 0009). Phương trình
cho loại profin NACA 4 số đối xứng:
2 3 4
0,2969 0,1260 0,3516 0,2843 0,1015
0,2
tc x x x x x

1
12
17
22
27
32
37
42
47
48
43
38
33
28
23
18
13
14
19
24
29
34
39
44
49
50
45
40
35
30

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

cứng màng, uốn xoắn
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 tọa độ chung
- Xử lý tránh kỳ dị của ma trận
-13-
- 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
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 lời
giải số. Tuy nhiên, độ mịn của lưới đảm bảo tính hội tụ tùy thuộc vào
dạng, loại kết cấu cụ thể và cần kiểm nghiệm trong quá trình tính toán.

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
-16-
[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.