某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電纜爬梯平臺(tái)基于MIDAS/Gen的有限元分析

陳志軍

根據(jù)GB40533《固定式鋼梯及平臺(tái)安全要求》，應(yīng)對(duì)工業(yè)用平臺(tái)設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行評(píng)估，而計(jì)算平臺(tái)的剛強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全性的有效評(píng)估。

MIDAS/Gen是建筑結(jié)構(gòu)通用結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的設(shè)計(jì)軟件，由全球大型鋼鐵公司韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵集團(tuán)開(kāi)發(fā)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，MIDAS/Gen全面強(qiáng)化了實(shí)際工作中結(jié)構(gòu)分析所需要的各項(xiàng)功能。通過(guò)在已有的有限元庫(kù)中加入索單元、鉤單元、間隙單元等非線性單元，結(jié)合施工階段、時(shí)間依存性、幾何非線性等最新結(jié)構(gòu)分析理論，計(jì)算出更加準(zhǔn)確和切合實(shí)際的分析結(jié)果。采用自行開(kāi)發(fā)的新概念CAD形式的技術(shù)完成建模，加以如Auto Mesh Generation、結(jié)構(gòu)建模助手等高效自動(dòng)化建模功能。特別是鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)（OptimalDesign）功能可以在考慮多種設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行最優(yōu)化的輕量設(shè)計(jì)，從而提高效率和精確性。相比于其他計(jì)算軟件，運(yùn)用MIDAS/Gen計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)件平臺(tái)框架，更加高效和便捷，計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)。

在新研發(fā)的某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，設(shè)計(jì)了連接塔筒和機(jī)艙的電纜爬梯平臺(tái)（Y1版）。該設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地把爬梯和電纜固定支架以及檢修平臺(tái)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，減少了制造和安裝工作量。但使用結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/Gen對(duì)其做剛強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)存在安全問(wèn)題，因此，重新設(shè)計(jì)了電纜爬梯平臺(tái)（Y2版）。對(duì)比Y2版和Y1版的鋼結(jié)構(gòu)件有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Y2版較Y1版在強(qiáng)度和剛度方面均有較大提升，消除了之前的安全隱患，提升了平臺(tái)的可靠性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維模型的建立

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜爬梯平臺(tái)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中是塔筒通向機(jī)艙的較為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，是設(shè)計(jì)者根據(jù)新型機(jī)艙的特點(diǎn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一套結(jié)構(gòu)件，此結(jié)構(gòu)件兼具人員攀爬、電纜通道、電纜固定承重、設(shè)備檢修平臺(tái)等功能。由于第一次在新型機(jī)組上使用，需要對(duì)其做有限元分析和剛強(qiáng)度校核。具體的結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)表1。

二、三維模型的建立

三維模型采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks建立。首先建立頂部八邊形平臺(tái)板，再建立電纜出口和人孔口，根據(jù)電纜走向設(shè)計(jì)電纜爬梯，根據(jù)人孔口位置設(shè)計(jì)供人攀爬的鋼爬梯，將兩個(gè)爬梯焊接成截面為三角形的框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。MIDAS/Gen有限元分析

一、有限元分析模型建立和網(wǎng)格劃分

為了便于對(duì)電纜爬梯平臺(tái)做有限元靜態(tài)分析，需要根據(jù)三維模型尺寸，在MIDAS軟件的截面庫(kù)中選用相應(yīng)的板單元和梁?jiǎn)卧獙?duì)三維模型簡(jiǎn)化重構(gòu)，形成MIDAS數(shù)值分析三維模型。MIDAS/Gen軟件所采用的板單元，根據(jù)平面外剛度不同可以劃分為薄板單元DKT、DKQ（DiscreteKirchhoff Element）和厚板單元DKMT、DKMQ（DisereteKirchhoff-Mindlin Element）兩種。由于板單元考慮了局部剪切應(yīng)力的影響，因此，無(wú)論薄板單元和厚板單元都能計(jì)算出比較準(zhǔn)確的結(jié)果。梁?jiǎn)卧哂欣瓑杭魪澟さ淖冃蝿偠龋鶕?jù)Timoshenko Beam Theory，也可以得到非常準(zhǔn)確的結(jié)果。

利用軟件的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能。可以將梁?jiǎn)卧桶鍐卧M(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)耦合，從而高效地對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

二、單元材料參數(shù)

電纜爬梯平臺(tái)的材料采用Q235B鋼材，屬性為線彈性各向同性。鋼材的彈性模量為2.06×10⁸kN/m²，泊松比為03容量為76.98kN/m³。

三、載荷及邊界條件

電纜爬梯平臺(tái)參照GB4053《固定式鋼梯及平臺(tái)安全要求》第3部分對(duì)工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)的要求，整個(gè)平臺(tái)區(qū)域內(nèi)應(yīng)能承受不小于3kN/m²均勻分布活載荷。平臺(tái)地板在設(shè)計(jì)載荷下的撓曲變形應(yīng)不大于10 mm或跨度的1/200（兩者取小值）;人員踩踏爬梯踏棍的節(jié)點(diǎn)荷載為1kN;電纜載荷為均布荷載。取值為13N/mm，載荷施加位置如圖3所示。

邊界條件：改進(jìn)前為18個(gè)板單元節(jié)點(diǎn)鉸接固定：改進(jìn)后為16個(gè)板單元節(jié)點(diǎn)鉸接固定加上2個(gè)梁?jiǎn)卧q接固定，如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果與分析

一、剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述有限元模型，改進(jìn)前電纜爬梯安裝固定方式是：沿著平臺(tái)板周圍取18個(gè)點(diǎn)用螺栓與機(jī)艙鑄件連接，為了彌補(bǔ)平臺(tái)板剛度的不足，在平臺(tái)板背面焊接截面為120mmX6mm的4條扁鋼。計(jì)算結(jié)果顯示，在螺栓連接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。

改進(jìn)后將主梁角鋼BL120mmX80mmX6mm的兩端。通過(guò)節(jié)點(diǎn)固定在機(jī)艙鑄件上，從而使受力情況大為改觀，同時(shí)取消之前的4條120mmX 6mm扁鋼加強(qiáng)筋。以下是改進(jìn)前后的計(jì)算對(duì)比結(jié)果（如圖5-圖7）。

分析電纜爬梯平臺(tái)應(yīng)力分布云圖可知，改進(jìn)前板單元最大應(yīng)力集中在邊界約束的板單元鉸接點(diǎn)上，也就是說(shuō)板單元作為邊界條件的鉸接撐點(diǎn)會(huì)引起局部應(yīng)力過(guò)大，使板單元存在局部撕裂失效的隱患。將板單元背面增加角鋼支撐梁后，板單元應(yīng)力集中問(wèn)題得到徹底解決，整體的強(qiáng)度和撓度均滿足GB4053《固定式鋼梯及平臺(tái)安全要求》第3部分對(duì)工業(yè)防護(hù)欄桿及鋼平臺(tái)的要求。

二、極端工況下的計(jì)算結(jié)果分析

在進(jìn)行偏航電機(jī)減速機(jī)（質(zhì)量為500kg，與平臺(tái)接觸尺寸為200mmX200mm）安裝和檢修的過(guò)程中，將存在減速電機(jī)在平臺(tái)鋼板任意位置出現(xiàn)的極端工況。現(xiàn)將此特殊工況模擬為壓力荷載，計(jì)算壓力值為0.125N/mm²，分別加載到平臺(tái)板3個(gè)不同危險(xiǎn)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖可知，在對(duì)平臺(tái)進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)，板單元強(qiáng)度仍可以滿足使用要求，具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

結(jié)語(yǔ)

本文采用土木工程通用的有限元分析軟件MIDAS/Gen對(duì)全新設(shè)計(jì)的電纜爬梯平臺(tái)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，得出如下結(jié)論：

（1）電纜爬梯平臺(tái)Y1版的安裝固定位置存在問(wèn)題，只用板單元支撐整個(gè)平臺(tái)是不安全的，板單元存在因應(yīng)力集中而發(fā)生撕裂的隱患，必須施加補(bǔ)強(qiáng)措施。通過(guò)在平臺(tái)背面增加支撐梁，同時(shí)將支撐梁固定在機(jī)艙鋼鑄件上，極大改變了整個(gè)平臺(tái)的應(yīng)力分布，最大板單元應(yīng)力從369MPa降低為156MPa，消除了平臺(tái)隱患。提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

（2）模擬計(jì)算將一臺(tái)減速電機(jī)放置在平臺(tái)3個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的極端工況，計(jì)算結(jié)果表明極端工況可滿足剛強(qiáng)度使用要求。

（3）電纜爬梯結(jié)構(gòu)件的安裝固定形式非常關(guān)鍵，如果安裝方式合理，不僅能夠大大提高安全性，而且可以優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)約鋼材。