基于ANSYS Workbench的風力發電機塔筒模態分析＊

吳存潔，徐楊梅，徐小力

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192）

0 引言

塔筒是風力發電機組的主要支撐結構，當風機運行時，塔筒受力情況非常復雜，這些載荷通常包括機組自重、風載荷以及由機組重心偏移引起的偏心力矩等。在這些載荷的共同作用下，塔筒容易產生較大的振動，過大振幅的振動甚至會造成風力發電機組傾覆。研究塔筒穩定性的目的在于避免塔筒因受力而產生共振，這就需要了解塔筒本身的固有頻率和預應力下的振動特性，從而在塔筒振動頻率接近其固有頻率時予以干擾，使其振動頻率快速遠離其固有頻率，防止塔筒產生共振，避免風力發電機組的運行狀態失穩。本文運用ANSYS Workbench對塔筒分別進行了模態分析和額定風速下預應力模態分析，確定了塔筒的固有頻率和振型以及預應力下的振動特性。

1 建立塔筒模型

本文分析中將塔筒上的電梯（爬梯）、電纜的活荷載及其重力荷載附著在塔筒上，塔筒頂部的機頭簡化為作用在塔頂的偏心質量塊。根據某廠家提供的1.5 MW風力發電機組設計參數，用Pro／Engineer軟件構建的1∶1三維實物模型如圖1所示。

2 塔筒模態分析

利用Workbench進行求解，得到模型的前5階模態，見表1。

通過模態計算可知，風機塔筒前5階固有頻率在0.346 91 Hz～7.124 6 Hz范圍內，振型主要為彎曲和彎扭組合，圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）分別表示擺動、1階彎曲擺動和2階彎扭組合狀態下的模態振型，基于計算結果可以對風機塔筒的設計進行評價。

圖1 塔筒的1∶1實物模型圖