基于ANSYS Workbench的大型風力發電機組塔架靜態分析

河西學院新能源研究所 張曉峰 張靜 姚金山

一 引言

塔架是風力發電機組重要的承載部件，它除了要支撐風力機的重量，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動荷載，其設計水平將直接影響風力發電機組的性能。據統計，在風力發電機組受損的諸多因素中，塔架占18%，為各項破壞因素之首，這說明目前塔架的設計還存在許多問題[1]。本文以酒泉風電基地瓜州風電場運行的某大型1.5MW風力發電機組塔架(錐筒式)為研究對象，應用有限元分析軟件ANSYS Workbench進行塔架靜態強度與剛度分析，以提高塔架的設計使用水平。

二 力學模型與技術參數

1 模型簡化原則

(1)大型風力發電機組通常采用錐筒型高聳塔架，根據其幾何特征和受力特點可將其簡化成集彎曲變形、軸向壓縮變形及扭轉變形為一體的復雜梁柱問題來處理。

(2)機艙、輪轂和葉片的重量作為集中力加載在塔架頂端，同時考慮集中力偏離塔架中心引起的彎矩。

(3)將坐標原點設在塔筒底部中心位置。塔架底部固定，即約束所有自由度。

(4)采用荷載等效原則，將作用在塔架結構上的風荷載進行靜力等效，也就是將塔架上的面荷載等效為節點集中荷載。

2 力學模型

塔架力學模型如圖1所示。根據水平軸風力機基本原理，塔架在運行的過程中，其承受的主要荷載有:Fx、Fy、Fz及 Mx、My、Mz分別為風輪和機艙作用在塔筒頂部沿三個方向的合力(kN)及合力矩(kN·m)，ω(z)為作用在塔壁上的風荷載標準值(kN/m2)。

圖1 錐筒型風力機塔架的力學模型

3 技術參數

酒泉風電基地瓜州風電場某大型1.5MW風力發電機組塔架高57.65m，塔底外徑4m，塔頂外徑2.955m，變截面錐筒型。最大壁厚20mm，最小壁厚10mm。塔架整體由3段組成，長度分別為13.00m、19.25m 和25.40m，底座1m，塔筒間用法蘭盤聯接而成，如圖2所示。

圖2 塔架幾何尺寸

葉輪與機艙總重為(61+34)kg；葉輪及機艙的中心距塔頂高1.755m；葉輪及機艙質量中心距塔架中軸線的距離為0.4m。塔架所用材料為Q345E鋼，屈服強度σs=345MPa，彈性模量E=210GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7850kg/m3。風電機組的切入風速為3m/s，額定風速為12.5m/s，切出風速為20m/s，50年一遇風速為51.6m/s，分別視為工況1～4，推力系數分別為1.1、0.385、0.09、1.6。瓜州地區空氣密度為1.05kg/m3[2]。

4 荷載計算

由文獻[3]～[5]所述方法求得塔架頂端沿水平方向的軸向推力Fx、沿塔架高度方向的集中壓力Fy、推力在塔架頂端和集中壓力的偏心產生的合彎矩Mx和作用于塔身的風荷載P1～P5值見表1。

三 ANSYS Workbench分析步驟[6]

1 建立幾何模型

(1)在ANSYS Workbench自帶的幾何建模模塊Design Modeler中根據設計圖紙直接建立幾何模型。

表1 塔頂和塔身載荷計算值

(2)本文模型是在CAD/CAM軟件Pro/Engineer中建立塔架幾何模型，再利用ANSYS Workbench支持的導入接口將模型文件讀入到ANSYS Workbench環境中。

2 選擇Static Structural分析模塊

啟動AWE，然后雙擊添加Static Structural分析模塊。

3 導入幾何模型

(1)選擇Geometry→Import Geometry→Browse命令。

(2)在彈出菜單中，選中塔架幾何模型文件，并打開。

4 添加材料信息

(1)雙擊 Static Structural 中 Engineering Data圖標，在該窗口中，新建材料“Q345E”，添加彈性模量和泊松比，然后返回Project窗口。

(2)在Project界面中雙擊“Model”進入分析界面，更改模型材料。

5 設定接觸選項

因為塔架三部分已在Pro/e中合并為一個零件，在此無需設置。

6 設定網格劃分參數并進行網格劃分

(1)選擇Mesh，右擊，激活網格尺寸命令Sizing。塔架網格劃分，由于塔架的三個方向尺度相差太大，受制于計算機的內存，采用自動劃分網格方式劃分網格。

(2)在Sizing的屬性菜單中，選中整個塔架實體，并指定網格尺寸為100mm。此時，節點為727178，單元為365471，自動劃分的網格見圖3。

圖3 自動劃分的網格模型

7 施加荷載以及約束

(1)施加固定端約束

由于風力發電機塔架與基礎固接，在進行靜力分析時對塔底施加全約束。選擇塔底法蘭表面，選擇Supports→Fixed Support (固定支座)。

(2)施加塔頂集中荷載

塔頂集中荷載作用于塔頂中心點，通過塔頂法蘭表面傳遞到整個塔身。選擇Loads→Remote Force，選擇塔頂法蘭表面為參考受力面，并指定受力點的坐標值為(0, 57650, 0)，荷載為Components，方向為y軸負方向，大小為表1所列Fx與Fy計算值。

(3)施加塔頂彎矩

選擇Loads→Moment，選擇塔頂法蘭表面為參考受力面，荷載為Components，方向為x軸逆時針轉向，大小為表1所列Mx計算值。

(4)施加風的壓力

①風荷載如表1所示已簡化為作用與不同迎風面上的集中荷載P1～P5。選擇Loads→Force，荷載為Components，方向為z軸正方向，大小為表1所列P1～P5計算值。

②在塔架上施加的所有荷載與約束如圖4的A～H。

8 設定求解結果參數

(1)選擇Solution→Insert→Deformation→Total，添加變形分析。

(2)選擇Solution→Insert→Strain→Equivalent(Von-Mises)，添加等效應變分析。

圖4 載荷與約束定義

(3)選擇Solution→Insert→Stress→Equivalent(Von-Mises)，添加等效應力分析。

9 求解

單擊Solve求解。

四 分析結果

塔頂中心點位移及塔架最大應力、最小應力及位置計算結果見表2。

表2 分析結果

五 強度與剛度校核

1 強度校核

式中:σmax為實際計算出的最大應力，MPa；[σ]為許用應力，MPa；σ為材料的屈服極限，MPa；n為安全系數，此處取1.1。

有門洞，極限風速下的最大應力為211.19MPa，發生在塔架背風側門框下邊沿400mm處(圖5)。材料的屈服極限為345MPa，其許用應力為:

σmax＜[σ]，滿足強度要求。

需要說明的是:這里的極限風速51.6m/s是按照風電機組50年一遇風速計算的，而瓜州地區50年一遇風速是48.9m/s[2]，所以塔架靜態強度有較大儲備。

圖5 塔架門洞附近最大等效應力圖

2 剛度校核

圖6為無門洞額定風速等效變形云圖，從圖6可以得到塔頂中心最大的位移。剛度校核是根據塔頂最大位移進行檢驗，判斷是否超過其控制值。風力發電機塔架作為一種特殊的高聳鋼結構形式，其許用的塔頂位移條件目前在國內尚無統一的標準和規范。根據經驗，要確保風力發電機內部設備的性能要求，將高塔架H 的頂部許用位移控制在塔架總高度的 0.5%～0.8%的范圍[8]，即:

式中:[ f ]為塔架許用位移，m；H為塔架高度，此處取58.65m。頂部許用位移應小于0.288～0.461m。

本文塔架的有限元分析中，考慮門洞時，塔頂最大位移為0.497m，不滿足塔頂位移要求。但此處荷載的計算有誤差，極限風速取得較實際值大，實際上剛度能夠滿足要求，但沒有儲備。

六 結語

(1)被分析的1.5MW風力發電機組塔架(錐筒式)在50 年一遇風速時，產生的位移和應力最大，其中塔頂最大位移為0.497m，最大應力為211.19MPa。

(2)該塔架在50 年一遇風速時強度滿足要求，有較大的儲備；剛度基本滿足要求，沒有儲備。

(3)無門洞和有門洞塔架的最大應力位置不同，有門洞塔架在所有工況下，背風側門框下邊沿和上邊沿應力均較大，容易發生破壞(圖5)。

圖6 無門洞額定風速下等效變形云圖

(4)門洞對塔架底部應力有一定影響，對頂部位移的影響很小，可以忽略。

[1]朱仁勝,劉永梅,蔣東翔，等. 基于MW 級風力發電機塔架的有限元分析[J]. 機械設計與制造，2011, (5): 104－106.

[2]甘肅瓜州橋灣第一風電場200MW工程可行性研究報告[R].西安，2008.

[3]戴建鑫.風力機塔架的有限元建模與靜動態特性的分析[D]. 蘭州理工大學，2011: 12－14.

[4]趙文濤,曹平周,陳建鋒. 風力發電鋼塔筒的荷載計算方法和荷載組合研究[J]. 特種結構, 2010, (4):73－76.

[5]GB50009－2001, 建筑結構載荷規范[S].

[6]李兵,何正嘉,陳雪峰. ANSYS Workbench設計、仿真與優化[M]. 北京:清華大學出版社，2011:33－41.