兆瓦級風力發電機組機艙罩振動模態研究

夏全洲 于國亮

摘要：風力發電機組是一種重要的發電設備，然而在運行過程中機艙罩卻存在振動現象。基于此，本文將從機艙罩的結構、幾何模型的建立、極限風載計算模型、材料屬性和單元設置、網絡劃分和邊界約束等方面對兆瓦級風力發電機組機艙罩振動模態進行研究，從而提高風力發電機組的性能。

關鍵詞：兆瓦級;風力發電機組;機艙罩;振動模態

引言：風力發電機組在發電過程中起到了非常重要的作用，是整個發電過程的核心設備。風力發電機在運行時，機艙罩會發生振動現象，對設備內零件會造成一定的損傷。因此，對風力發電機組的振動模態研究十分必要。

1.模態分析理論概述

模態分析在工程振動領域中具有極其廣泛的應用，可以有效地對振動過程進行分析。振動模態是彈性結構中固有的屬性，具有一定的疊加現象，對機械的影響較大。通過對振動的模態的分析，可以得到機械的實際振動響應，為研究者帶來極大的方便。模態分析主要還包含兩個方面：一方面是動力學方程分析，需要通過受力分析來了解機械的受力情況，再根據受力特點列出機械的運動方程，從而將運動過程轉化成數值量;另一方面是模態分析數學模型的建立，將運動方程轉化成數學模型，從而實現模態分析的過程。

2.機艙罩振動模型分析

2.1機艙罩的結構

機艙罩是風力發電機重要的組成部分，能夠保障風力發電機在惡劣的環境下也能正常工作，如風、雨、雪等天氣，因此，發電機的機艙罩具有極強的耐腐蝕、耐沖擊等特點，機艙罩的體積較大，所需的附屬配件較多。風力發電機的機艙罩通常可以分為三層，內、外兩層為玻璃鋼，中間層由泡沫塑料填充，整體呈現出“三明治”的結構特點。整個機艙罩的固定需要用到鋼制的連接板，可以牢固地將其固定在風力發電機的架子上。在機艙罩的表面有部分孔洞，孔洞位置通過特殊結構進行支撐，可以有效地提高孔洞附近穩定性。這些孔洞作用是為了方便設備的安裝與維護，提高工作的效率[1]。

2.2幾何模型的建立

機艙罩的幾何模型的建立需要用到ABAQUS軟件，通過該軟件可以對有限元進行分析，能夠較好地解決非線性等復雜問題，可以對特殊形狀的單元庫進行模擬，具有極高的使用價值。該軟件具有良好的人際交互界面，可以像CAD一樣進行模型構建，并且具有強大的模型管理功能，能夠對復雜的模型進行建模和仿真。同時該軟件還采用了參數化建模的方式，可以方便地對模型的參數進行修改，為使用者帶來了極大的方便。機艙罩的模型建立的是三維模型，而且進行了三維中性曲面處理，可以得到準確的機艙罩模型結構。這種三維模型是一種有限元模型，可以實現網絡劃分、邊界約束等多種操作，能夠有效地還原機艙罩的振動過程。

2.3極限風速的受力分析

為了有效地對機艙罩的受力進行分析，需要將機艙罩放在極限風速的環境下進行測試，對其受力情況進行詳細的分析，從而保障機艙罩受力分析的合理性。具體分析過程如下：首先，需要將機艙罩分為兩部分，即左上和右下，并且將機艙罩的支撐結構看成靜止狀態，將支撐結構周圍看作全約束狀態;然后，需要計算風力發電機的受風面積，并且對機艙罩周圍的氣流進行分析，確定氣流的流向，從而保障受力分析過程更加的準確;最后，在極限風速的情況下對停止狀態的發電機的機艙罩進行受力分析，從而實現極限風速的受力分析過程。通過對極限風速的受力分析，可以讓研究者對機艙罩的振動過程建立準確振動模型，讓受力分析的數值更加接近于實際情況。

2.4極限風載計算模型

極限風載相關計算模型主要是從三種風力發電機組的通用設計標準而來，分別是丹麥DS472標準，德國的GL認證標準以及國際標準。其中丹麥標準內大部分風速計算和載荷計算標準，都與國際標準以及德國標準相似，所以此次在極限風載相關計算模型設計中，主要參考德國認證標準和國際標準IEC。按照國家電工委員會提出的風力發電機組安全要求標準，對四種不同風力發電機相關機組等級進行了定義，隨著等級的提升，則其對應風速相繼下降。在此次研究中，主要選擇最大風速等級，即一類，把五十年一遇的每秒70米極限風速當成此次極限風載相關計算模型中的極限風速標準，按照德國認證標準，能夠了解到通常認為機艙罩遇到極限風載狀態下，因為前端和后端兩個受風層面的極限風載相關利用系數主要是0.8、0.5，側面受風端的極限風載相關利用系數是0.6，出于保險安全角度考慮，針對機艙罩的單側極限風載相關利用系數依然選擇0.8。按照流體伯努利方程以及動量定理，對極限風速狀態下，機艙罩的單側極限風載進行準確計算，最終結算結果是2401N/m3。

2.5材料屬性和單元設置

機艙罩中所應用的的建設材料主要是玻璃纖維強化塑料，簡稱FRP，即一種復合玻璃鋼材料。玻璃鋼各向異性，沿軸向位置擁有良好的力學性能，而非軸向上的力學性能則相對較弱，具體如表1所示：

在實施模態分析的過程中，主要是選擇線性分析為主，架設所選擇材料保持各向同性，出于保險起見，各個材料屬性需要按照以下方法進行設定：其中材料的彈性模量參數為8920MPA，而材料密度是每立方米1800千克，泊松比是0.22。選擇S4R殼單元，相關元件厚度參數設置為8毫米，選擇振型疊加方法，對于分析步種類則可以選擇線性攝動分析步，求解器選擇LACCZOS，同時將特征值相關提取階數設為30.

2.6網絡劃分和邊界約束

機艙罩部分主要是采用玻璃復合鋼材料制作而成的，該種材料主要特征是各向異性，同時呈現為多層非線性。當下，復合材料中大部分為實體模型抽中面，通過殼單元對分層材料的各向屬性進行定義，和非線性有限元分析。此次文章所介紹了機艙罩復合材料的層數達到20層，同時因為各層材料的資料數據、實驗、制作工藝、層厚度等數據限制，不能準確給出不同層中各向壓縮、彎曲以及拉伸等彈性模量，和相應的主次泊松比。所以，選擇一種簡化的理想分析方法，假設復合材料各向同性，在提前了解玻璃鋼內樹脂以及玻璃纖維等元素占據總體材料的90%，而玻璃纖維相關彈性模量參數大概是26000MPA，而樹脂相關彈性模量參數是3200MPA，出于保守起見，主原料選擇中，相關最低彈性模量充當材料簡化模型屬性，即將彈性模量定義成3200MPA，將玻璃鋼的泊松比定義成0.3，選擇SOLIOD45單元對機艙罩相關有限元模型進行劃分，和實施靜強度分析，最終能夠獲得495072個壩節點六面提單元[2]。

結語：

綜上所述，通過對機艙罩振動模型的分析，可以清晰地對風力發電機組機艙罩的振動現象進行分析，方便實驗人員對這種振動現象有更加直觀的理解，從而提出合理的解決辦法。

參考文獻：

[1]張寵元.基于有限元的大型風力發電機機艙罩穩定性分析[J].內蒙古科技大學學報，2018，37（04）：368-372.

[2]王瑞，張丹.基于有限元的大型風力發電機組金屬機艙罩設計開發[J].裝備制造技術，2018（04）：60-63.