风电机组塔筒结构分析

01   风电机组塔筒结构分析

将圆台沿横向焊接成塔筒。塔筒内部设有爬梯和平台，有些塔筒设有电梯，便于工人维修塔顶机组。塔身是封闭结构，能够保证维修工人的安全，也能够更好地避免缆线老化或破坏，延长使用寿命。圆筒式塔筒外形美观，得到了广泛应用。由于塔筒受载比较复杂，而且是组合部件，因此在进行结构分析时需要考虑的因素比较多。

1.由于自然风的风速和风向不断变化，风的状态也可能发生湍流等状态的变化，因此塔筒在风载作用下的静强度、疲劳强度和稳定性需要满足要求;

2.风脱离塔筒时状态也会发生变化，由此产生的附加载荷引起塔筒发生振动或变形，此时塔筒的刚度和强度也需要满足要求;

3.风电机组运行时风轮的转动激励塔筒振动，那么塔筒的固有频率须避开激励频率以防止因发生共振而破坏。

塔筒的结构尺寸非常大，不适于用实验的方法进行结构分析。随着有限元方法的日益成熟及普遍应用，塔筒的结构分析多采用有限元法，在一些规范标准中，对塔筒的细节分析也有理论计算的相关规定，无论用哪种方法，基本的分析内容主要包括模态分析、静强度分析、疲劳分析、稳定性分析、横振分析及细节分析。

02   塔筒静强度分析

静强度分析考察塔筒承受极限载荷的能力，是对结构强度最基础的检验，在工程设计中往往以静强度分析结果为参考对塔筒整体尺寸进行改型设计。塔筒几何模型，模型省略了一些附属结构，比如爬梯、平台、通风口等。这些结构的省略并不会影响分析结果的准确性，并且可以减少建模时间，提高工作效率。某兆瓦级风电机组塔筒(圆筒形式)几何模型如下图所示。

图1 塔筒几何模型

用八节点六面体单元建立塔筒网格模型，模型中简化了连接法兰。塔筒门段的门框和门洞是焊接结构，在有限元模型中对焊缝做等强度处理，并对该处的网格进行适当细化。由于实体单元的节点只有三个平动自由度，没有转动自由度，因此实体单元建立的塔筒模型不能传递极限载荷中的弯矩，也不能表达因受载而产生的弯曲变形。

为了解决这个问题，需要沿塔筒壁厚方向至少划分三层实体单元。单元数量为22077。建立塔筒有限元模型时，边界条件如何施加是关键，因此需要对模型的边界约束和加载方式进行研究。

从宏观角度看塔筒结构，可以将其理解为一根悬臂梁，塔筒底部是边界约束的位置，塔筒顶部是承受载荷的位置。风电机组的塔筒是固定在地基法兰上的，底部不能沿水平面平动或转动，也不能沿轴线平动或转动，既塔筒底部是全约束的。由于实体单元的节点只有三个平动自由度，因此在有限元模型中边界约束包括TX，TY，TZ。由Bladed 计算出的塔筒顶部载荷是集中载荷，需要转化成分布载荷才能加载在单元节点上。有限元软件中的多点约束单元能够有效地解决这个问题。多点约束也称载荷伞，可以理解为通过一个节点控制多个节点。在塔筒顶部建立多点约束rbe2，在中间的控制节点上施加极限载荷，极限载荷中的弯矩和力通过多点约束转化成集中力平均分配到连接节点上。

本文选取了几个极值工况，该工况中包括使塔筒倾覆最严重的弯矩载荷，由于塔筒沿轴线的筒径和壁厚不同，导致该工况下塔筒的应力分布并不是均匀一致的，在壁厚发生改变的位置，正是塔筒应力发生变化的过渡位置。塔筒最大等效应力为75.6Mpa，出现在顶部筒壁厚度由小变大处。在顶部的屈服极限为325Mpa，取安全系数1.1，则许用应力为295Mpa，大于最大等效应力，表明塔筒强度满足要求。塔筒位移随高度增加而增大，最大位移为160mm，出现在塔筒顶部，根据经典材料力学理论悬臂梁在悬空端受到弯矩时，梁的最大挠度出现在弯矩施加的位置，塔筒的位移分布与理论计算相吻合。

工况FxMax 为极端阵风工况，该工况的极限载荷中有使塔筒倾覆最严重的力，该工况下塔筒的应力随塔筒高度发生变化。由于X方向的力比较大，且门洞恰好位于X轴正向上，使得塔筒最大等效应力出现在门框上，数值为184Mpa，门框的许用应力为295Mpa，大于最大等效应力，表明塔筒在FxesMax工况下的强度满足要求。

塔筒的位移随高度增加而增大，该工况下塔筒最大位移出现在顶部，为570mm，总体位移分布趋势符合经典材料力学理论。现将各工况结果列表如下进行对比分析，如表1所示。

1.几个极限工况下塔筒的最大位移多数分布在500mm左右，出现在塔筒顶部，其中MxyesMax工况下塔筒最大位移出现在上段，这是由于该工况中的Mx，My 和Fz都比较大，使塔筒不但在XZ平面内发生了倾覆弯曲，而且沿轴向也有很大的位移，两种变形趋势综合导致塔筒最大位移出现在上段。

2.塔筒的最大等效应力都小于许用应力295Mpa，表明塔筒强度满足要求。其中FxesMax，FxyesMax，MyesMax工况所包含的使塔筒沿Y轴转动倾覆的载荷比较大，塔筒底部受这些载荷的影响最严重，因此最大应力出现在门框处，而其余几个工况下的最大应力大多出现在塔顶。

3.上述应力结果的对比也表明塔筒门洞处需要有足够的强度承受压力。由于风电机组在偏航时，风向可能在某一时刻垂直于塔筒门洞所在的平面，使塔筒门洞受最大的压力或最大的拉力。又因为塔顶质量重心在塔筒轴线以外，也可以增大作用在门洞上的压力值。

为了考虑门洞受压最严重的情况，工程上对塔筒的静强度分析通常选择更保守的加载方式，从所有极限载荷工况中选取各个分量载荷的最大值，即取所有工况中Z向弯矩最大值Mz，所有工况中Mx和My合成最大值，力载荷也是同样取法，将这样非常保守的极限载荷加载在使塔筒门洞受压最严重的载荷分量上，再校核此时的塔筒强度。如果保守计算结果满足强度要求，那么正常工况的计算结果一定满足要求。

03   结语

本文分析了风电机组塔筒结构计算方法，着重对塔筒静强度分析的建模方法进行研究。实体单元建立塔筒有限元模型的位移计算结果偏差很小，而应力值偏差较大，这是由于实体单元的节点没有转动自由度，不能传递附加弯矩。且极限工况下，塔筒局部应力过大，可以通过增加壁厚的方法提高结构强度。