基于ANSYS的风力发电机塔架门框的强度分析及优化

基于ANSYS的风力发电机塔架门框的强度分析及优化
汪亚洲，黎旋
（河海大学，南京210098）
摘要：塔架支撑机组传递动力及载荷，是风力发电机组的重要零件，塔架的可靠性直接影响着整机的可靠性、可利用率及发电量。

由于塔架门框处受载情况复杂，工程中采用有限元法对塔架门框进行强度分析。

在ANSYS软件平台下建立了塔架门框的有限元分析模型，计算了塔架门框处的静强度，根据计算结果对塔架门框的尺寸进行了优化，优化后塔架门框的安全裕度有了显著提高。

关键词：风力发电；塔架门框；有限元；强度；优化
中图分类号:TK83文献标志码:A文章编号：1002-2333（2019）09-0060-03 Strength Analysis and Optimization of Wind Turbine Tower-door Based on ANSYS
WANG Yazhou,LI Xuan
(Hohai University,Nanjing210098,China)
Abstract:The tower support unit transmits power and load,which is an important part of the wind turbine.The reliability of the tower directly affects the reliability,availability and power generation of the whole machine.Due to the complicated loading situation at the frame of the tower frame,the finite element method is used in the project to analyze the strength of the tower door frame.The finite element analysis model of the tower door frame is established under the ANSYS software platform.The static strength of the tower door frame is calculated.The size of the tower door frame is optimized according to the calculation results.The safety margin of the optimized tower frame has been significantly improved. Keywords:wind power generation;tower frame;finite element;strength;optimization
0引言
塔架支撑机组用于传递载荷，是风力发电机组中的重要组成部件[1]，为了方便人员进出，在塔底需要开门框进行补强，由于此处为塔架最薄弱点，所以需要对塔架门框的强度进行校核。

由于塔架门框应力比较复杂，在保证机组可靠性的前提下，必须对塔架门框的强度进行准确计算。

ANSYS作为一种强大的有限元分析软件，已广泛应用于机械、电子、航空航天、汽车、船舶等各个领域，是现代设计中必不可少的工具[2]。

本文采用ANSYS有限元分析软件对国内某机型的塔架门框进行强度计算，并根据计
的安全裕度有了较大改善，提高了机组的安全可靠性。

1外部载荷
塔架的载荷主要来源于叶轮，
重力及运行控制产生的载荷。

通常把叶轮侧载荷通过坐标转化表达成塔架中心处的载荷，坐标方向如图1所示（X F轴为水平；Z F轴在塔架轴方向向上垂直；Y F轴为水平通道，使X F、Y F、Z F顺时针旋转）。

风力发电机组的极限载荷计算是依据GL规范指定的载荷工况[3]，利用行业软件BLADE计算得到，选取各分量的最值，极限载荷共包含个工况，这里仅列出对塔架较危险的4
算，载荷数据如表1所示。

纵焊缝不同，
在门洞的缺口效应，其应力状态比较复杂。

因此，对其采用有限元方法进行分析。

在进行有限元建模分析的过程中。

为保证计算结果的精准性，此处采用了六面体网格对
表1塔架中心极限
载荷工况
转矩/(kN·m)负载/kN
M x M y M z F x F y F z M xy_max_D
LC4.2ej1330.20-105038.00-2327.10-903.200.55-6100.20 M xy_min_D
LC2.3ai3-1.99 4.1426.8037.900.354994.60 M y_max_D
LC4.2bj4413.90102947.001555.80930.80-15.80-6190.30 M y_min_D
基金项目：国家自然科学基金项目（51607058）；
科研业务费专项资金（2018B48614）；江苏高校首批
2011计划“沿海开发与保护协同创新中心”计划（苏
政办发[2013]56号）图1塔架中心坐标系
M Z F
Z F M
X F
F X F
M Y F
F Y F
X F
Y F
F Z F
60
2019年第9期网址：电邮：hrbengineer@
网址： 电邮：hrbengineer@ 2019年第9期
图4圆角
实体进行划分，同时保证了门框附近网格的密集程度。

为保证圣维南原理的适用，建模时要求载荷施加位置与门框顶端的距离至少为塔底直径的2倍，为了便于操作，选取了第一法兰段顶部进行载荷施加。

塔底施加全约束，第一段上法兰顶部与圆心处施加耦合约束，在圆心处分别施加F xy 、F z 、M xy 、M z 载荷，其中F xy 和M xy 方向朝向门框受压方向。

约束塔底节点的自由度，在上法兰中心处建立质量单元并与上法兰节点通过RBE3连接，各零部件通过节点传递载荷，最终建立塔架的有限元模型如图2所示。

2.2塔架的材料特性
塔架为焊接结构件，材料为Q345，其材料性能如表2[5]
所示。

塔架筒节厚度范围为16~40mm ，门框厚度范围为
40~63mm ，故取塔架门框屈服强度σ0.2=325MPa 。

根据GL 规范，取局部材料安全系数γm =1.1，那么塔架门框的许用屈服强度为295.5MPa 。

3
结果分析及优化
ANSYS 计算的塔架门框应力云图如图3所示，从计算
结果可以看出，门框右上角倒圆角处出现了较大的应力（如图4），工况My_Max_DLC4.2bj 时应力最大，最大应力为261.45MPa ，出现在门框右上角圆角处。

虽然塔架门框的最大应力没有超过材料的许用屈服强度，但安全系数为1.13，比较小，为了获得更大的安全裕度和可靠性，这里对圆角尺寸进行优化。

从图5中可以看出门框应力随着圆角一和圆角二尺寸的增加而降低。

当圆角一尺寸大于415mm 时，门框最
大应力趋于常数。

在圆角一尺寸定于415mm 的基础上增加圆角二的尺寸，当圆角二尺寸为1400mm 时，门框最大
表2Q345材料性能参数
项目参数值弹性模量E /GPa
210泊松比μ0.3密度ρ/(kg ·m -3）7850
屈服强度σ0.2/MPa
335（壁厚为16～40mm ）325（壁厚为40～63mm ）
2有限元模型
图3塔架门框等效应力分布
（a ）Mxy_max_DLC4.2ej工况应力
（b）My_max_DLC4.2bj工况应力
（c ）Mxy_min_DLC2.3ai3工况应力
（d）My_min_DLC4.2ej工况应力
圆角一
圆角二
（a ）门框主视图模型（b）门框侧视图模型（c ）整体模型
61
质量、尺寸、种类等相关数据，结束进程。

5结论
本文针对渔港梭子蟹的分拣问题，研究了一套智能分拣系统。

其中，在机械结构方面，提出了一种爪端装有压力传感器的机械手加行走小车的机械装置，不仅能够灵活移动，而且能够稳定抓取梭子蟹；在控制系统方面，对各控制模块的电路做了相应的研究，硬件电路组成简单，成本低廉，控制高效；在算法方面，研究了一种基于
HOG特征和SVM分类器相结合的识别算法，能准确实现对待检梭子蟹图像的识别。

通过对机械结构、控制系统和识别算法的研究，表明该套梭子蟹分拣系统适用于当前渔港梭子蟹的分拣。

该系统的实现为发展渔业水产的分拣智能化提供了新的探索。

[参考文献]
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[M].John Wiley&Sons,Inc.,2007.（责任编辑邵明涛）
作者简介:刘凯(1996—),男,硕士研究生,研究方向为渔业机械化；
李莉莉(1981—),女,硕士,高级实验师,研究方向为自动化控制。

收稿日期:2019-03-05
图6优化后塔架门框应力分布
246 244 242 240 238 236 234 232 230
228380385390395400405410415420
圆角一尺寸/mm
1300132013401360138014001420 250
245
240
235
230
225
220
215
圆角二尺寸/mm
（a）圆角一敏感度（b）圆角二敏感度
图5敏感度分析
应力趋于常数。

最终得到最佳配合尺寸为：圆角一尺寸大小为415mm，圆角二尺寸大小为1400mm。

重新建立有限元模型，计算得到门框的应力云图如图6所示。

从图6中可以看出，塔架门框的最大应力降低为221.5 MPa，静强度安全裕度为1.33，安全裕度较初始计算结果提高了20%，优化的效果十分显著。

4结语
用ANSYS分析软件，在合理简化模型、正确加载与约束下，可以快速和深入地对复杂结构进行分析，提高了计算精度和效率，计算结果形象直观。

根据分析结果可以进行结构调整，并且对结构优化设计起到极其重要的作用。

本文采用先进的ANSYS有限元分析软件，建立了分析风电机组门框的有限元模型，对其进行了强度分析，并完成危险应力点处的尺寸优化，优化后的安全裕度有了大幅度提高，为以后的设计提供了科学依据。

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（责任编辑邵明涛）
作者简介：汪亚洲（1986—），男，博士研究生，工程师，研究方向为中速永磁风力发电机组设计与开发。

收稿日期：2019-08-07
（上接第59页）
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2019年第9期网址：电邮：hrbengineer@。