基于SolidWorks和ANSYSWorkbench軟件的風電機組鋼塔筒建模與模態分析

丁宇楠 石川 祝磊

塔架是風力發電機組的主要承載部件，它將發電機組支撐到其所需要的高度，因此，塔架的穩定性和安全性是一臺風電機組能否安全正常工作的關鍵。常用的風電塔架有桁架型和圓筒形兩種，其中鋼制圓筒形塔架以其便捷的安裝方式和相對低廉的造價成為現代風力發電機組最常用的塔架形式之一。然而一個完整的塔架通常由幾十節長度不等、直徑不等的塔筒組合而成，由于數量繁多且尺寸不同，這些塔筒的精確幾何建模往往費時費力。大多數情況下，建模人員會將幾十節塔筒簡化為3至5節塔筒，每節塔筒厚度取等厚或簡單線性變化，再利用殼單元或桿單元完成模型的建立，但使用該方法建立的模型比較粗糙，與塔筒的實際尺寸相比有較大出入。

本文借助SolidWorks三維建模軟件，通過軟件自帶的設計表功能快速建立塔筒的精確幾何模型。通過設計表的方式，大大減少建模的工作量，縮短建模時間。再利用SolidWorks軟件與ANSYS Workbench軟件的接口功能，將幾何模型順利導入Workbench中進行有限元分析，進而完成從建模到有限元計算的完整結構分析過程。

設計表建模

SolidWorks軟件是一款基于Windows系統開發的三維CAD建模系統，擁有功能強大而操作簡單的特點，是最容易學習掌握的三維建模軟件之一。SolidWorks包含的設計表通過在嵌入的Microsoft Excel工作表中指定參數來建構多個不同配置的零件或裝配體。通過設計表功能，設計人員可以更加快速有效地建立具有相同基體形狀但尺寸各異的一系列零件。從而避免了對每個零件分別建模的繁瑣過程。通過設計表，設計人員可以批量生成模型，而不必具備利用二次開發方法批量建模所需的編程能力。

一、建模流程概述

要使用設計表功能，首先要繪出模型的基本設計草圖，然后指定草圖中的關鍵幾何參數。生成單個模型，再插入設計表，最終得到一系列模型零件。具體流程如圖1所示。

二、建模具體過程

（一）繪制草圖并指定幾何參數

在前視基準面上繪制草圖，并用智能尺寸功能定義關鍵幾何尺寸，草圖具體的幾何尺寸定義如圖2所示。

（1）軸線，即塔簡的軸線，定義該直線的空間特征為豎直。

（2）上端壁厚，即塔筒上端的簡壁壁厚，定義該線段的空間特征為水平。

（3）下端壁厚，即塔筒下端的筒壁壁厚，定義該線段的空間特征為水平。

（4）上端半徑，即塔簡頂端的外半徑，定義上端壁厚線段的外側點至軸線的距離為上端半徑。

（5）下端半徑，即塔筒底端的外半徑，定義下端壁厚線段的外側點至軸線的距離為下端半徑。

（6）塔筒高，即塔筒在豎直方向的投影高度，定義上端壁厚與下端壁厚之間的距離為塔簡高。

該草圖定義的優點是可以通過不同上下端半徑的設置實現塔筒在豎直方向上直徑的變化（比如錐形塔筒）：可以通過定義不同的上下端壁厚實現筒壁厚度的改變，而不僅僅局限于等厚的筒壁。

（二）生成單個幾何模型

在按上節所述步驟定義完草圖之后，運用[旋轉凸臺/基體]命令，以軸線為旋轉軸，以筒壁為輪廓，旋轉360°得到一個完整的塔筒幾何模型（如圖3）。

（三）插入設計表并生成系列塔筒模型

在上節的基礎上插入【設計表】功能，在彈出的設計表中輸入具體的塔筒尺寸，旋轉角度默認為360°，并定義系列塔筒的名稱，如表1所示。完成設計表尺寸設置并確認后，將生成系列塔筒零件模型。

三、零件模型的裝配及調整

在SolidWorks中新建裝配體，分別插入各個塔筒零件，并依據相鄰塔筒之間外徑相同的特點進行裝配，將各個塔簡裝配成完整塔架。由于生成的一系列零件均為獨立個體，所以可以對各個零件作進一步的修改，比如增加門洞或者進行其他細節的調整。最終塔架裝配效果及細節調整圖如圖4和圖5所示。

Workbech分析

在建立完整塔架模型之后，利用SolidWorks與Workbench軟件之間的接口將幾何模型導入Workbench中并識別，然后將識別的模型導入模態分析板塊中進行有限元計算分析，具體流程見圖6。在Engineering Data中定義模型的材料屬性。在Model中對模型進行設置，忽略焊縫和螺栓連接的影響。將各個塔筒之間的連接設為固接。塔架與基礎的連接可以選擇Revolute接觸方式——該接觸允許部分釋放轉動約束，釋放的大小可以通過設置轉動剛度的數值決定，這種接觸方式可以用來模擬具有一定轉動剛度的基礎與塔架底部的連接。根據實際的塔頂機艙和葉片重心的空間位置，通過集中質量點的方式將塔架上部機艙和葉片的質量添加于塔架頂端，質量點與塔筒的連接等同于多點約束中的剛性約束。劃分網格推薦采用掃掠（sweep）劃分中的薄壁掃掠（automatic thin）劃分方法，該方法為專門針對于薄壁結構的網格劃分，并在壁厚方向設定劃分1層單元。至于局部模型較為復雜的情況（如門洞），薄壁掃掠可能無法得到高質量的網格，此時可以采用軟件自動劃分的方式得到所需的網格。在完成網格劃分后進行塔架模態的計算。實例分析

某2.2MW風電機組塔架共有56節塔簡，總高度138mo塔架共分為5段，最下部一段包含8節外徑相同的塔簡，從第5段開始塔簡外徑逐漸收縮，具體情況如表2所示。運用16只均勻布置在塔架上的壓電式傳感器，結合數據采集分析軟件測得塔架前兩階的振動頻率，同時利用Bladed軟件對塔架的模態進行了理論計算，實測頻率和Bladed計算頻率如表3所示。根據塔架的設計尺寸在設計表中輸入塔簡的尺寸數據，得到塔架的整體模型，再導入到Workbench中對塔架進行模態分析（如圖7所示），根據實際情況設定好頂部集中質量點和塔架底部與基礎的接觸，最終得到部分頻率結果如表3所示。由表3中的對比結果可知：Workbench中計算得到的頻率數值與實測數值相差不大（最大差距不超過6%），與Bladed軟件計算結果也十分接近（最大差距不超過8.5%），充分證明本文所提出的建模方法和分析方法的可靠性。

結論

本文基于SolidWorks三維建模軟件的設計表功能，提出了一種快速建立塔筒精確幾何模型的方法。該建模方法可以滿足塔簡壁厚變化和直徑變化的要求。將某案例機組基于ANSYS Workbench有限元分析軟件的模態分析結果與塔架頻率實際測量值以及相應的Bladed軟件理論計算值進行對比，對比結果驗證了本文建模方法的可靠性。