风力发电机塔架的有限元分析.pdf

第 17卷 第2期 山东交通学院学报 V0LJ7No．2 2009年 6月 JOURNALOFSHANDONGJIAOTONGUNIVERSITY Jun．2009 DOI：10．3969／j．issn．1672—0032．2009．014 风力发 电机塔架的有限元分析 王慧慧，黄方林 ，吴合 良，邓世海 (中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙 410075) 摘要：利用有限元分析软件ANSYS对某型风力发电机组的塔架结构进行整体强度、门段强度 、模态以及屈曲分 析，其中门段细节分析主要针对 门洞附近应力集中进行讨论；计算塔架在 Ⅱ类风场极限载荷作用下的最大应 力、动力特性和屈曲载荷。计算结果表明：塔架整体结构满足强度要求，门段局部结构不满足强度要求，正常工 作时塔架与风轮不会发生共振，从而为塔架结构设计和优化提供依据。 关 键 词：风力发电机塔架；有限元分析；静强度 ；模态分析；屈曲分析 中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1672—0032(2009)02—0063—05 风力发 电是近期 内技术 日趋成熟、具有大规模发展潜力的可再生资源发电方式 ¨。我国是发展中国 家，对风能资源的开发利用十分重视 。随着风力发电的发展，风机制造业也迅猛发展，成为一种新兴的产 业 。在风力发电机组中，塔架的作用是支撑机舱和叶轮，把叶轮等部件举到设计高度处运行，以获得足 够的风能驱动叶轮转动，并带动发电机按照设计的额定功率发电 。因此，为确保机组的正常运行，要求 合理地设计风力发电机塔架 。以往用有限元进行塔架静力分析时，只对塔架整体强度进行分析，而没有 考虑门洞周围由几何因素引起的应力集中现象 J。本文在考虑塔架门洞的情况下，采用大型通用有限元 分析软件ANSYS对某型风力发电机圆筒式塔架建立空间有限元模型，并对塔架结构进行整体强度分析、 门段细节强度分析、模态分析以及屈 曲分析。 1 塔架 目前常见的塔架有圆筒式、桁架式、混凝土式等几种形式，现代大型风力发 电机组通常采用圆筒式塔架。本文以某型风力发电机组塔架 (圆筒式)为研究 对象，该塔架高度为48．781TI，结构为壁厚渐变空心圆柱状，最大壁厚20mm，最 小壁厚 12ITlm。塔架整体由3段长度分别为14．901TI、16．881TI和】7．00HI的圆 筒用法兰盘联接而成。这类塔架的优点是安全 能好，维修方便安全。塔架所 用材料为Q345c钢，材料特性为屈服强度 =325～345MPa，弹性模量 E= 206GPa，泊松比 =0．3，密度P=7850kg／m 。塔架坐标系如图1所示。 2 静强度有限元分析 图l塔架坐标系 2．1 计算载荷 塔架承受 自重以及其上部结构传递的轴力、剪力、弯矩和扭矩，且最大弯矩压在门框中心轴处。极限 载荷计算是依据文献 [5]指定的 Ⅱ类风场载荷工况，安全系数取 1．35，采用塔架坐标系，如图 1。塔架整 收稿 日期 ：2009—02—24 作者简介 ：王慧慧(1984一)，女，内蒙古赤峰人，中南大学硕士研 究生，主要研究方向为结构分析计算． 联系人：黄方林 (1964一) 男，湖南邵东人，中南大学教授 ，博士研究生导师，工学博士，主要研究方向为结构动力学 64 山东交通学院学报 2009年6月 第 17卷 2．2 模型 1)塔架模型。ANSYS中有 自底向上与 自顶向下2种实体建模方法 J。本文采用 自底向上建模，建 成整体模型后，再切出进人孔，并建出门框模型，门框和周围连接的塔架壁采用粘结处理。 网格划分是一个非常重要的环节，网格划分的好坏直接影响到计算结果的准确性和计算进度，甚至 会因为网格划分不合理而导致计算结果不收敛 7【。根据文献 [8]，塔架壁至少有2层单元，故本文将塔 架壁划分为2层单元，单元类型为SOLID458节点实体单元。网格划分时，塔架壁径向为双层单元；在变 厚度的塔壁即焊缝处、法兰盘与塔架壁直接相