大型风力发电机组塔架的静强度及模态分析_金映丽

第１期（总第２００期）

２０１７年２月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．１

Ｆｅｂ．

文章编号：１６７２－６４１３（２０１７）０１－００６３－０

３大型风力发电机组塔架的静强度及模态分析

金映丽，谷继孟，马礼鹏

（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁　沈阳　１１０８７０

）摘要：利用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立了大型风力发电机组塔架的有限元分析模型，分别进行了塔架的静强度

和模态分析，计算出了塔架的固有频率和模态振型以及塔架在极限载荷下的应力和塔顶的位移。结果表明：该塔架结构满足强度要求，且风力发电机组在运行过程中不会与塔架发生共振，从而为今后塔架进一步的优化分析设计提供依据。

关键词：锥筒式塔架；有限元；强度；模态分析中图分类号：ＴＰ３９１．７∶ＴＫ８３ 文献标识码：Ａ

收稿日期：２０１６－０５－１７；修订日期：２０１６－１０－２

０作者简介：金映丽（１９７２－）

，女，辽宁沈阳人，副教授，研究生导师，博士，主要从事系统仿真计算的研究。０　引言

塔架是风力发电机组的主要承重部件，支撑机舱

的所有零部件，

还连接着风力发电机组机舱与地面基础，为风力发电机组的桨叶提供了必要的高度。对于

大型风力发电机组，

一般其塔架高度都在数十米以上，承受着整个风电机组的载荷，是风电机组重要的受力部件，其设计水平直接影响风力发电机的工作性能，一旦发生倾倒垮塌，往往造成整个风电机组的毁灭性损失，所以在设计时，塔筒一定要满足刚度、强度等要求。目前为成本及重量考虑，大都将塔筒设计为柔塔或甚柔塔，其固有频率甚至低于工作中产生的激振频率，而且锥筒塔架还具有小的阻尼，结构共振问题突出，所以必须对塔架的动态特性进行详细的分析。１　塔架的有限元模型

随着风电技术的发展，有多种形式的塔架已在实际中运用，如锥筒式、桁架式、钢筋混凝土式等，而锥筒式塔架是大型风电机组中最经典的结构形式。本文以某２ＭＷ风力发电机组塔架为例进行静强度及模态分析，其有限元分析流程如图１所示。１．１　几何建模

本文塔架为变截面锥筒形式，总高为８６　０００ｍｍ，塔筒下端直径为Φ４　５００ｍｍ，上端直径为Φ３　

０１０ｍｍ，壁厚为２８ｍｍ～１２ｍｍ，塔架共分为３段，各段之间用法兰板及螺栓联接，在塔架的底部设有进出舱门。为了方便计算，首先将塔筒的模型进行简化，然后在

ＡＮＳＹＳ中进行建模，

采取由点到线、由线到面旋转成实体的方法，最后利用布尔操作生成塔筒，其几何模型如图２所示。

１．２　单元类型、

材料属性及网格的划分对于锥筒塔架的有限元分析，一般采用板单元或者壳单元，但板单元只考虑弯曲变形，而壳单元除了弯

曲变形外还可以考虑中性面的变形及其与弯曲变形的

相互作用，

更加接近实际情况。因此，分析锥筒式塔架采用Ｓｈｅ１１　

９３壳单元更为合理。图１　

塔架的有限元分析流程图

图２　塔架的三维模型

塔架材料为Ｑ３４５，弹性模量Ｅ＝２０６ＧＰａ

，泊松比μ＝

０．３，密度ρ＝７　８５０ｋｇ／ｍ３

，屈服强度σｓ＝３２５ＭＰａ。利用ＭｅｓｈＴｏｏｌ进行网格划分，共划分为３７　

７４４个单

元、１２７　６９３个节点。塔架网格划分如图３所示。

图３　塔架网格划分图

１．３　边界条件的加载与计算

目前大型风力发电机组的锥筒式塔架，其结构特点是构件为薄壁、细长的锥筒，一般底部固定，顶部承受着机舱、轮毂和桨叶的全部重量。根据其特征建立如图４所示的塔架顶部坐标系，原点位于塔架顶端，ｘ轴为风的来流方向，ｚ轴竖直向上，ｙ轴按右手定则确定。根据塔架有限元分析的载荷和边界条件，将塔架所承受的载荷通过等效方式进行转化，并应用ＭＰＣ（多点约束）法将载荷传递到塔架顶部原点上，对塔架的底部近似为是刚性连接，对塔架底部施加全部的自由度约束。

２　基于ＡＮＳＹＳ的塔架静强度分析

根据塔架有限元分析的载荷和边界条件的特点，整个风机和机舱的部件的质量大且比较集中，可以简化成一个位于塔架顶部坐标系原点的质量点，在该点建立一个Ｍａｓｓ　２１单元点，通过ＭＰＣ　１８４刚性梁单元将该点与塔架顶部端面的单元节点连接起来，塔架的载荷就施加到塔架顶部坐标系原点并传递到塔架顶部的端面节点上，并根据模型的简化施加必要的约束。塔架的顶部约束如图５所示。

图４　塔架顶部坐标系图５　塔架顶部的约束

对塔架进行静强度计算，其结果表明，在极限载荷工况下塔筒底部及其舱门处有比较大的应力。

图６和图７分别是塔架在极限载荷情况下的位移云图和应力云图。

塔架通常采用等强度变截面的设计，危险截面一般位于塔架根部，因此，塔架根部结构强度的分析是确定塔架整体结构基本设计的依据。根据图６和图７可知：在极限载荷情况下，塔筒顶部变形最大，最大位移为８０８ｍｍ；塔架的最大应力发生在塔架根部及舱门处，往塔顶逐渐减小，其最大应力为１６２ＭＰａ。

利用材料学、弹性力学等固体力学理论，对塔架强度进行校核，根据强度检验条件：σｍａｘ＜［σ］，其中，σｍａｘ为求解得到的最大应力，［σ］为材料许用安全应力，Ｑ３４５钢的屈服强度σｓ＝３４５ＭＰａ，考虑到分析材料的安全系数，取许用应力［σ］＝２３０ＭＰａ。根据工程经验，塔架最大允许的变形量为塔架高度Ｈ的０．５％～１．２％。根据分析计算结果可知，塔架满足强度设计要求。

图６　塔架的位移云图

图７　塔架的应力云图

３　基于ＡＮＳＹＳ的塔架模态分析

由于在运行过程中受到周期性动载荷的作用，风力发电机组的旋转叶轮会和塔架产生耦合振动，如果塔架的固有频率接近风轮旋转频率及叶片通过频率，可能会进入共振区域，载荷将由于结构共振而被放大。所以对风力机塔架进行模态分析有着十分重要的意义。

在模态计算时，考虑到机舱、叶片及风轮等顶部质量对塔筒的影响，在其质量和的重心位置建一个质量单元节点Ｍａｓｓ　２１，用这个质量单元来模拟风轮、轮毂和机舱特性，其转动惯量为三者在重心位置的和，并将质量单元节点与塔顶单元节点相耦合，使其保持相同自由度，对塔筒底部进行全约束，与塔筒静强度分析的模型基本相似。

在ＡＮＳＹＳ中采用子空间（Ｓｕｂｓｐａｃｅ）迭代法进行模态分析，设置扩展模态为５阶。表１为塔架前５阶固有频率和振型，图８、图９为塔筒的１、２阶不同方向的摆振。

表１　塔架的前５阶固有频率和振型模态阶数固有频率（Ｈｚ）模态振型

１阶０．８３０　１３　ｘ轴方向摆型

２阶０．８３０　３９　ｙ轴方向摆型

３阶４．０８５　４　ｘ轴弯曲振型

４阶４．０８６　６　ｙ轴弯曲振型

５阶１０．１２５　ｘ轴扭转振型

由分析结果可知：塔筒的１、２阶模态振型为不同

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