兆瓦級風電機組機艙罩穩定性分析

鄧樹斌，江一杭

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

對于薄璧受壓結構，失穩往往成為其結構破壞的主要表現形式，且失穩載荷通常遠小于強度破壞載荷，同時由于失穩過程的突發性和強破壞性，一旦結構發生失穩往往帶來災難性后果。因此，對薄璧受壓結構進行穩定性分析，提前預測結構發生失穩的載荷條件及容易發生失穩的區域，進而進行針對性的結構設計以改善結構的穩定性情況，避免工作中因失穩導致結構失效現象的發生，具有重要的指導意義。

作為風電機組的重要組成部件，風機罩殼承擔著抵抗環境載荷的作用，為機組提供可靠運行空間，保護機組免受外部環境干擾。罩殼能否正常安全工作，直接影響到機組的運行情況。

機艙罩作為一種典型的薄璧結構，在載荷作用下，結構屈曲失效往往是其主要的破壞模式，即由于機艙罩剛度不足引起結構發生失穩進而導致機艙罩的整體破壞。因此，對機艙罩進行穩定性分析以保證其剛度布置，確保機艙罩在設計載荷條件下能正常工作，對于保證風電機組的正常運行具有十分重要的工程意義。

本文以某兆瓦級機組機艙罩為分析對象，通過有限元方法詳細分析其在設計載荷下的穩定性響應，為該型號機艙罩的結構設計和工程應用提供了相關參考。

1 分析模型的建立

根據某兆瓦級機艙罩的幾何模型，利用分析軟件建立了機艙罩的有限元模型。因機艙罩為薄璧結構，其厚度方向尺寸遠小于其余兩個方向的尺寸，建模時采用二維平面單元進行網格劃分，對于模型中的桿類結構，采用一維梁單元進行網格劃分，機艙罩各部分通過螺栓單元連接在一起。

機艙罩通過金屬轉接件連接到機架上，在有限元模型中，通過固定約束模擬機架對機艙罩的支撐作用。

2 設計載荷條件

機艙罩在工作過程中，除需承擔自身重量外，還要抵抗外部環境載荷的作用以及運行維護等活動載荷的作用。其中，作用在矩形截面上的風載，各側面的載荷情況可按圖 1進行簡化。

圖1 風載簡化示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind load

機艙罩的設計載荷條件參照GL規范要求進行設置，包括恒載與活載的組合、恒載與風載的組合。設計載荷工況如表 1。

表1 機艙罩設計載荷組合Tab.1 Calculated load combinations of nacelle

3 穩定性分析結果

采用有限元方法對機艙罩進行穩定性分析，各設計工況下機艙罩的主體屈曲模態及屈曲因子如圖2所示。

設計工況下，機艙罩的主體屈曲因子均大于 2.04，具有較大的安全裕度，滿足風機規范對穩定性的要求。在極限風載作用下，機艙罩受風面出現因受壓導致的褶皺失穩；在極限活載作用下，機艙罩頂部出現受壓失穩。失穩區域均發生在加強筋之間的薄璧區域，該結果與薄璧屈曲理論相吻合，說明分析結果是可靠的。

圖2 機艙罩穩定性分析云圖Fig.2 Cloud pictures of nacelle stability analysis

4 結 論

本文利用有限元方法，建立兆瓦級機艙罩的穩定性分析模型，并根據風機設計規范建立穩定性分析載荷工況，通過對機艙罩進行穩定性分析，得到以下結論：

①在設計工況下，機艙罩的主體屈曲因子滿足規范的要求，機艙罩在設計載荷作用下不會發生失穩破壞；

②在壓力載荷作用下，機艙罩的失穩區域主要發生在加強筋之間的薄璧殼體區域，優化這些區域的剛度可顯著改善機艙罩的主體穩定性；

③穩定性分析可在設計階段預測和判斷機艙罩的失穩區域及失穩載荷，有助于及時發現結構的薄弱區域并進行有針對性的優化改進，對提高產品可靠性、降低產品運行風險具有重要作用。■

［1］Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[M].Hamburg：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH，2010.

［2］沈真.復合材料結構設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2001.

［3］陳鐵云，沈惠中.結構的屈曲[M].上海：上海科學技術文獻出版社，1993.