01 風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)分析

將圓臺(tái)沿橫向焊接成塔筒。塔筒內(nèi)部設(shè)有爬梯和平臺(tái)，有些塔筒設(shè)有電梯，便于工人維修塔頂機(jī)組。塔身是封閉結(jié)構(gòu)，能夠保證維修工人的安全，也能夠更好地避免纜線老化或破壞，延長(zhǎng)使用壽命。圓筒式塔筒外形美觀，得到了廣泛應(yīng)用。由于塔筒受載比較復(fù)雜，而且是組合部件，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)需要考慮的因素比較多。

1.由于自然風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向不斷變化，風(fēng)的狀態(tài)也可能發(fā)生湍流等狀態(tài)的變化，因此塔筒在風(fēng)載作用下的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和穩(wěn)定性需要滿足要求;

2.風(fēng)脫離塔筒時(shí)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的附加載荷引起塔筒發(fā)生振動(dòng)或變形，此時(shí)塔筒的剛度和強(qiáng)度也需要滿足要求;

3.風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)塔筒振動(dòng)，那么塔筒的固有頻率須避開(kāi)激勵(lì)頻率以防止因發(fā)生共振而破壞。

塔筒的結(jié)構(gòu)尺寸非常大，不適于用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。隨著有限元方法的日益成熟及普遍應(yīng)用，塔筒的結(jié)構(gòu)分析多采用有限元法，在一些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)塔筒的細(xì)節(jié)分析也有理論計(jì)算的相關(guān)規(guī)定，無(wú)論用哪種方法，基本的分析內(nèi)容主要包括模態(tài)分析、靜強(qiáng)度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性分析、橫振分析及細(xì)節(jié)分析。

02 塔筒靜強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析考察塔筒承受極限載荷的能力，是對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最基礎(chǔ)的檢驗(yàn)，在工程設(shè)計(jì)中往往以靜強(qiáng)度分析結(jié)果為參考對(duì)塔筒整體尺寸進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。塔筒幾何模型，模型省略了一些附屬結(jié)構(gòu)，比如爬梯、平臺(tái)、通風(fēng)口等。這些結(jié)構(gòu)的省略并不會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且可以減少建模時(shí)間，提高工作效率。某兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組塔筒(圓筒形式)幾何模型如下圖所示。

圖1 塔筒幾何模型

用八節(jié)點(diǎn)六面體單元建立塔筒網(wǎng)格模型，模型中簡(jiǎn)化了連接法蘭。塔筒門(mén)段的門(mén)框和門(mén)洞是焊接結(jié)構(gòu)，在有限元模型中對(duì)焊縫做等強(qiáng)度處理，并對(duì)該處的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)細(xì)化。由于實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)只有三個(gè)平動(dòng)自由度，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此實(shí)體單元建立的塔筒模型不能傳遞極限載荷中的彎矩，也不能表達(dá)因受載而產(chǎn)生的彎曲變形。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要沿塔筒壁厚方向至少劃分三層實(shí)體單元。單元數(shù)量為22077。建立塔筒有限元模型時(shí)，邊界條件如何施加是關(guān)鍵，因此需要對(duì)模型的邊界約束和加載方式進(jìn)行研究。

從宏觀角度看塔筒結(jié)構(gòu)，可以將其理解為一根懸臂梁，塔筒底部是邊界約束的位置，塔筒頂部是承受載荷的位置。風(fēng)電機(jī)組的塔筒是固定在地基法蘭上的，底部不能沿水平面平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能沿軸線平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，既塔筒底部是全約束的。由于實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)只有三個(gè)平動(dòng)自由度，因此在有限元模型中邊界約束包括TX，TY，TZ。由Bladed 計(jì)算出的塔筒頂部載荷是集中載荷，需要轉(zhuǎn)化成分布載荷才能加載在單元節(jié)點(diǎn)上。有限元軟件中的多點(diǎn)約束單元能夠有效地解決這個(gè)問(wèn)題。多點(diǎn)約束也稱載荷傘，可以理解為通過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)。在塔筒頂部建立多點(diǎn)約束rbe2，在中間的控制節(jié)點(diǎn)上施加極限載荷，極限載荷中的彎矩和力通過(guò)多點(diǎn)約束轉(zhuǎn)化成集中力平均分配到連接節(jié)點(diǎn)上。

本文選取了幾個(gè)極值工況，該工況中包括使塔筒傾覆最嚴(yán)重的彎矩載荷，由于塔筒沿軸線的筒徑和壁厚不同，導(dǎo)致該工況下塔筒的應(yīng)力分布并不是均勻一致的，在壁厚發(fā)生改變的位置，正是塔筒應(yīng)力發(fā)生變化的過(guò)渡位置。塔筒最大等效應(yīng)力為75.6Mpa，出現(xiàn)在頂部筒壁厚度由小變大處。在頂部的屈服極限為325Mpa，取安全系數(shù)1.1，則許用應(yīng)力為295Mpa，大于最大等效應(yīng)力，表明塔筒強(qiáng)度滿足要求。塔筒位移隨高度增加而增大，最大位移為160mm，出現(xiàn)在塔筒頂部，根據(jù)經(jīng)典材料力學(xué)理論懸臂梁在懸空端受到彎矩時(shí)，梁的最大撓度出現(xiàn)在彎矩施加的位置，塔筒的位移分布與理論計(jì)算相吻合。

工況FxMax 為極端陣風(fēng)工況，該工況的極限載荷中有使塔筒傾覆最嚴(yán)重的力，該工況下塔筒的應(yīng)力隨塔筒高度發(fā)生變化。由于X方向的力比較大，且門(mén)洞恰好位于X軸正向上，使得塔筒最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在門(mén)框上，數(shù)值為184Mpa，門(mén)框的許用應(yīng)力為295Mpa，大于最大等效應(yīng)力，表明塔筒在FxesMax工況下的強(qiáng)度滿足要求。

塔筒的位移隨高度增加而增大，該工況下塔筒最大位移出現(xiàn)在頂部，為570mm，總體位移分布趨勢(shì)符合經(jīng)典材料力學(xué)理論。現(xiàn)將各工況結(jié)果列表如下進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

1.幾個(gè)極限工況下塔筒的最大位移多數(shù)分布在500mm左右，出現(xiàn)在塔筒頂部，其中MxyesMax工況下塔筒最大位移出現(xiàn)在上段，這是由于該工況中的Mx，My 和Fz都比較大，使塔筒不但在XZ平面內(nèi)發(fā)生了傾覆彎曲，而且沿軸向也有很大的位移，兩種變形趨勢(shì)綜合導(dǎo)致塔筒最大位移出現(xiàn)在上段。

2.塔筒的最大等效應(yīng)力都小于許用應(yīng)力295Mpa，表明塔筒強(qiáng)度滿足要求。其中FxesMax，F(xiàn)xyesMax，MyesMax工況所包含的使塔筒沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)傾覆的載荷比較大，塔筒底部受這些載荷的影響最嚴(yán)重，因此最大應(yīng)力出現(xiàn)在門(mén)框處，而其余幾個(gè)工況下的最大應(yīng)力大多出現(xiàn)在塔頂。

3.上述應(yīng)力結(jié)果的對(duì)比也表明塔筒門(mén)洞處需要有足夠的強(qiáng)度承受壓力。由于風(fēng)電機(jī)組在偏航時(shí)，風(fēng)向可能在某一時(shí)刻垂直于塔筒門(mén)洞所在的平面，使塔筒門(mén)洞受最大的壓力或最大的拉力。又因?yàn)樗斮|(zhì)量重心在塔筒軸線以外，也可以增大作用在門(mén)洞上的壓力值。

為了考慮門(mén)洞受壓最嚴(yán)重的情況，工程上對(duì)塔筒的靜強(qiáng)度分析通常選擇更保守的加載方式，從所有極限載荷工況中選取各個(gè)分量載荷的最大值，即取所有工況中Z向彎矩最大值Mz，所有工況中Mx和My合成最大值，力載荷也是同樣取法，將這樣非常保守的極限載荷加載在使塔筒門(mén)洞受壓最嚴(yán)重的載荷分量上，再校核此時(shí)的塔筒強(qiáng)度。如果保守計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，那么正常工況的計(jì)算結(jié)果一定滿足要求。

03 結(jié)語(yǔ)

本文分析了風(fēng)電機(jī)組塔筒結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，著重對(duì)塔筒靜強(qiáng)度分析的建模方法進(jìn)行研究。實(shí)體單元建立塔筒有限元模型的位移計(jì)算結(jié)果偏差很小，而應(yīng)力值偏差較大，這是由于實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，不能傳遞附加彎矩。且極限工況下，塔筒局部應(yīng)力過(guò)大，可以通過(guò)增加壁厚的方法提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。