MW級風力發電機組塔筒法蘭強度分析*

何海建，楊 揚，孟令銳，晁貫良，董姝言

(許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

由于國家政策的大力支持，近幾年風力發電機組的國產化程度逐漸提高[1]。為了保證風電機組設備的可靠性，需要對風機中各部件的強度等性能進行分析。

塔筒作為風力發電機的一個重要的組成部分，它的結構穩定性直接影響著風力發電機的運行安全[2]。塔筒各段之間通過法蘭進行連接，風力發電機組運行時，作用于葉輪和機艙的載荷通過主機架傳遞到塔筒上，同時由于風速和風向的不穩定性，塔筒法蘭還要承受動態載荷，在長期載荷作用下，塔筒法蘭極易遭到破壞，如果連接法蘭出現問題，不僅會對風力發電的性能造成影響，甚至會引發安全事故，因此為了保證風力發電機組的正常運行，需要對風機塔筒法蘭的極限及疲勞強度進行校核[3]。塔筒法蘭的破壞方式主要為極限載荷工況下的局部塑性變形或破壞以及隨機載荷作用下的疲勞斷裂[4]。

風機塔筒法蘭強度計算時最常用的是有限元分析法，晁貫良[5]采用ANSYS軟件建立了塔頂法蘭連接系統的有限元模型，利用子模型分析技術及工況疊加計算方法對塔頂法蘭進行了極限強度校核，但計算模型中忽略了塔頂連接螺栓對法蘭極限強度的影響；杜靜[6]利用MSC.Marc/Mentat軟件建立了風力機法蘭有限元分析模型，運用雨流計數法與Palmgren-Miner線性累積損傷理論相結合的疲勞計算方法，對塔頂法蘭疲勞強度進行了研究，但未考慮不同方向上的剪應力對塔筒法蘭疲勞損傷產生的影響。

本研究以某大型風力發電機為例，建立塔筒法蘭連接系統的有限元模型，計算中將考慮法蘭連接螺栓對法蘭強度的影響，同時提出將臨界平面算法與剪應力算法相結合，進行塔筒法蘭疲勞損傷計算。

1 塔筒法蘭的幾何模型

塔筒法蘭幾何模型如圖1所示。

圖1 塔筒法蘭幾何模型

本研究采用Solidworks軟件進行塔筒法蘭連接系統創建，為了考慮連接螺栓對塔筒法蘭計算的影響，法蘭幾何模型中保留了連接螺栓孔。同時為了提高計算效率，模型中簡化了對計算結果影響較小的塔筒平臺、爬梯等附屬設備。

2 塔筒法蘭有限元模型及載荷坐標系

為了準確模擬塔筒法蘭的真實受力狀態，本研究在有限元模型中創建了與塔筒法蘭相鄰的部件，主要包括上段塔筒、連接螺栓、墊圈以及下段塔筒。

本研究將風機塔筒法蘭的幾何裝配模型導入有限元分析軟件ANSYS中進行網格劃分，有限元模型剖視圖如圖2所示。

圖2 塔筒法蘭連接有限元模型

上段塔筒、連接法蘭、墊圈以及下段塔筒均采用高階六面體單元進行網絡劃分，為了減小結構的關鍵部位對計算結果的影響，本研究對上、下法蘭圓角位置的網格進行了適度加密[7]，同時為了提高塔筒法蘭疲勞強度計算效率以及采用臨界平面方法進行疲勞計算，在上、下法蘭的圓角位置創建了一層厚度較薄的殼單元，殼單元與下覆實體單元之間通過共節點的方式進行連接。此外，連接螺栓采用梁單元進行模擬，單元截面積與螺栓應力面積相同。上、下法蘭之間通過標準摩擦接觸方式進行連接，摩擦系數為0.2。塔筒法蘭有限元模型共包含167 040個單元，722 305個節點。

為了準確模擬載荷的傳遞，本研究在塔筒上、下法蘭接合面中心位置建立節點并施加外載荷，并將該中心節點通過MPC剛性梁單元與上段塔筒頂部位置進行連接，以便模擬載荷的傳遞，根據塔筒實際的受力狀態，需要對下段塔筒底部端面所有節點的平動自由度進行約束。

塔筒法蘭各部件所用材料均為低合金高強度結構鋼，其彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。塔筒法蘭由Q345鍛造而成，其最大壁厚為150 mm，根據《GB/T1591-2008低合金高強度結構鋼》塔筒法蘭抗拉強度為470 MPa，屈服強度為285 MPa。

風力發電機組運行時，葉片產生的氣動載荷以及由于風輪旋轉和機艙對風引起的離心力、慣性力通過主機架傳遞到塔筒上，這些載荷和塔筒自身的重力構成了塔筒法蘭載荷[8]。塔筒法蘭所承受的載荷通過GH Bladed軟件根據GL規范計算仿真得到，載荷方向與GL規定的塔筒載荷坐標系方向一致，坐標系如圖3所示。坐標系原點位于塔筒中心位置，XF沿水平方向并指向下風向，ZF豎直向上，YF位于水平方向并與XF和ZF組成右手坐標系。

圖3 塔筒載荷坐標系

3 塔筒法蘭靜強度分析

以某MW級風力發電機組為例，其塔筒法蘭中心位置的極限工況載荷如表1所示。

塔筒法蘭靜強度計算分兩個載荷步進行，第一個載荷步，對連接螺栓組施加預緊力載荷；第二個載荷步，鎖定第一步施加的螺栓預緊力，并施加表1中的極限工況載荷[9]。由于上、下法蘭之間采用標準摩擦接觸方式進行連接，有限元模型采用隱式非線性牛頓-拉斐遜迭代算法進行求解。根據GL規范，為了保證載荷與材料的安全設計值，塔筒法蘭靜強度安全系數應通過下式進行計算：

表1 塔筒法蘭極限工況載荷表

(1)

式中：γf—載荷安全系數，取1.0；γm—材料安全系數，取1.1；σeqv，max—塔筒法蘭最大等效應力，MPa；Re—塔筒法蘭屈服強度，MPa。

塔筒法蘭危險工況下等效應力云圖如圖4所示。

圖4 塔筒法蘭等效應力云圖

從該云圖可以看出：塔筒法蘭靜強度危險位置發生在圓角過渡處，最大應力值為235.4 MPa，對應靜強度安全系數為1.1，大于1，因此，塔筒法蘭在極限工況下運行能夠滿足靜強度設計要求。

4 塔筒法蘭疲勞強度分析

工程實踐表明：部件的初始裂紋通常首先出現在應力較大位置，對于塔筒法蘭，倒圓角區域為其應力集中位置，為了提高計算效率，本研究僅計算塔筒法蘭圓角位置的疲勞強度。塔筒法蘭疲勞強度計算流程如圖5所示。

由于塔筒法蘭疲勞強度主要受到My載荷分量的影響，本研究首先在塔筒法蘭接合面中心位置施加正、負兩個方向上的疲勞極限載荷(+Mymax、-Mymin)，并在這兩個疲勞極限工況下，對風機塔筒法蘭的有限元模型進行非線性求解。為了考慮法蘭連接螺栓的預緊力效應，本研究對這兩個疲勞極限工況進行非線性求解時，分兩個載荷步進行計算，第一個載荷步施加連接螺栓預緊力載荷，第二個載荷步施加疲勞極限外載荷，施加疲勞極限外載荷時分為5個子步進行，根據各載荷步的計算結果，能夠得到當疲勞載荷由負向極值變化到正向極值時，塔筒法蘭倒圓位置載荷與各臨界平面剪應力的關系曲線。以法蘭某個熱點位置為例，其載荷與危險臨界平面剪應力關系曲線如圖6所示。

圖5 塔筒法蘭疲勞強度計算流程

圖6 法蘭某熱點位置載荷與危險臨界平面剪應力關系曲線

其次，根據載荷與臨界平面剪應力關系曲線以及疲勞時序載荷譜，通過GH-Bladed軟件可計算得到法蘭圓角位置各臨界平面下的剪應力譜。最后，本研究將法蘭各臨界平面下的剪應力譜、應力譜循環次數以及法蘭S-N曲線數據輸入至疲勞分析軟件，基于Miner線性累積損傷理論[10]，采用Goodman平均應力修正方法計算塔筒法蘭疲勞損傷及安全系數。

根據GL規范，塔筒法蘭作為鍛造件，其S-N曲線可由相關材料參數擬合得到，用于擬合塔筒法蘭S-N曲線的輸入參數如表2所示。

表2 塔筒法蘭相關輸入參數

由于在疲勞分析軟件中使用了Goodman平均應力修正方法，表2中平均應力修正系數Fm=1，即S-N曲線中未考慮平均應力的影響。根據表2中的輸入參數，可得到塔筒法蘭S-N曲線如圖7所示。

圖7 塔筒法蘭S-N曲線

計算結果顯示：在疲勞載荷作用下，塔筒法蘭圓角位置的疲勞強度安全系數為5.163，因此，在20年的設計壽命周期內，該機組塔筒法蘭能夠滿足疲勞強度設計要求。

5 結束語

本研究介紹了MW級風力發電機組塔筒法蘭極限強度及疲勞強度計算方法。提出了進行塔筒法蘭疲勞計算時采用臨界平面算法與剪應力算法相結合的疲勞損傷計算方法，該方法能夠更為準確地考慮到塔筒法蘭的真實疲勞應力歷程。

計算結果表明：塔筒法蘭的極限強度及疲勞強度安全系數均大于1，能夠滿足強度設計要求，同時塔筒法蘭的危險位置與工程實際較為吻合，說明提出的計算方法是可靠實用的，能夠為風力發電機組塔筒法蘭的設計提供必要的依據，具有一定的工程實用價值。

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