01 風電機組塔筒結(jié)構分析

將圓臺沿橫向焊接成塔筒。塔筒內(nèi)部設有爬梯和平臺，有些塔筒設有電梯，便于工人維修塔頂機組。塔身是封閉結(jié)構，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，延長使用壽命。圓筒式塔筒外形美觀，得到了廣泛應用。由于塔筒受載比較復雜，而且是組合部件，因此在進行結(jié)構分析時需要考慮的因素比較多。

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

2.風脫離塔筒時狀態(tài)也會發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的附加載荷引起塔筒發(fā)生振動或變形，此時塔筒的剛度和強度也需要滿足要求;

3.風電機組運行時風輪的轉(zhuǎn)動激勵塔筒振動，那么塔筒的固有頻率須避開激勵頻率以防止因發(fā)生共振而破壞。

塔筒的結(jié)構尺寸非常大，不適于用實驗的方法進行結(jié)構分析。隨著有限元方法的日益成熟及普遍應用，塔筒的結(jié)構分析多采用有限元法，在一些規(guī)范標準中，對塔筒的細節(jié)分析也有理論計算的相關規(guī)定，無論用哪種方法，基本的分析內(nèi)容主要包括模態(tài)分析、靜強度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性分析、橫振分析及細節(jié)分析。

02 塔筒靜強度分析

靜強度分析考察塔筒承受極限載荷的能力，是對結(jié)構強度最基礎的檢驗，在工程設計中往往以靜強度分析結(jié)果為參考對塔筒整體尺寸進行改型設計。塔筒幾何模型，模型省略了一些附屬結(jié)構，比如爬梯、平臺、通風口等。這些結(jié)構的省略并不會影響分析結(jié)果的準確性，并且可以減少建模時間，提高工作效率。某兆瓦級風電機組塔筒(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)點六面體單元建立塔筒網(wǎng)格模型，模型中簡化了連接法蘭。塔筒門段的門框和門洞是焊接結(jié)構，在有限元模型中對焊縫做等強度處理，并對該處的網(wǎng)格進行適當細化。由于實體單元的節(jié)點只有三個平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度，因此實體單元建立的塔筒模型不能傳遞極限載荷中的彎矩，也不能表達因受載而產(chǎn)生的彎曲變形。

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

從宏觀角度看塔筒結(jié)構，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。風電機組的塔筒是固定在地基法蘭上的，底部不能沿水平面平動或轉(zhuǎn)動，也不能沿軸線平動或轉(zhuǎn)動，既塔筒底部是全約束的。由于實體單元的節(jié)點只有三個平動自由度，因此在有限元模型中邊界約束包括TX，TY，TZ。由Bladed 計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)點上。有限元軟件中的多點約束單元能夠有效地解決這個問題。多點約束也稱載荷傘，可以理解為通過一個節(jié)點控制多個節(jié)點。在塔筒頂部建立多點約束rbe2，在中間的控制節(jié)點上施加極限載荷，極限載荷中的彎矩和力通過多點約束轉(zhuǎn)化成集中力平均分配到連接節(jié)點上。

本文選取了幾個極值工況，該工況中包括使塔筒傾覆最嚴重的彎矩載荷，由于塔筒沿軸線的筒徑和壁厚不同，導致該工況下塔筒的應力分布并不是均勻一致的，在壁厚發(fā)生改變的位置，正是塔筒應力發(fā)生變化的過渡位置。塔筒最大等效應力為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，則許用應力為295Mpa，大于最大等效應力，表明塔筒強度滿足要求。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)典材料力學理論懸臂梁在懸空端受到彎矩時，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算相吻合。

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

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，總體位移分布趨勢符合經(jīng)典材料力學理論?，F(xiàn)將各工況結(jié)果列表如下進行對比分析，如表1所示。

1.幾個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，兩種變形趨勢綜合導致塔筒最大位移出現(xiàn)在上段。

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

3.上述應力結(jié)果的對比也表明塔筒門洞處需要有足夠的強度承受壓力。由于風電機組在偏航時，風向可能在某一時刻垂直于塔筒門洞所在的平面，使塔筒門洞受最大的壓力或最大的拉力。又因為塔頂質(zhì)量重心在塔筒軸線以外，也可以增大作用在門洞上的壓力值。

為了考慮門洞受壓最嚴重的情況，工程上對塔筒的靜強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洞受壓最嚴重的載荷分量上，再校核此時的塔筒強度。如果保守計算結(jié)果滿足強度要求，那么正常工況的計算結(jié)果一定滿足要求。

03 結(jié)語

本文分析了風電機組塔筒結(jié)構計算方法，著重對塔筒靜強度分析的建模方法進行研究。實體單元建立塔筒有限元模型的位移計算結(jié)果偏差很小，而應力值偏差較大，這是由于實體單元的節(jié)點沒有轉(zhuǎn)動自由度，不能傳遞附加彎矩。且極限工況下，塔筒局部應力過大，可以通過增加壁厚的方法提高結(jié)構強度。