基于ANSYS的風電機組主機吊具強度分析及優化設計

柳勝舉，趙春雨，鄒荔兵，倪敏

基于ANSYS的風電機組主機吊具強度分析及優化設計

柳勝舉，趙春雨，鄒荔兵，倪敏

（明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528437）

風電機組主機吊具的結構強度關系著吊裝作業的安全，需要進行嚴格校核。以某MW級風電機組的主機吊裝為例設計了吊具，采用ANSYS軟件，結合實際的吊裝過程進行有限元建模，并計算吊具的強度；根據有限元計算結果、應力分布以及變形情況，對風電機組主機吊裝過程中吊具的受力情況進行了分析，優化了主機吊具的結構。優化后的風電機組主機吊具最大von Mises應力由733.71 MPa減小到224.86 MPa，應力降低了69.4%，滿足強度要求；同時，主機吊具的重量由10685.07 kg減小到9587.46 kg，重量減少了約10.3%，降低了吊具的材料成本。

風電機組；吊具；ANSYS；優化

隨著風電行業的蓬勃發展，全球每年新增的裝機容量逐年增加，以2019年為例，全球新增裝機容量達到60.4 GW，作為全球最大的風電市場，我國陸上風電新增并網容量達23.8 GW，海上風電新增規模達2.3 GW[1]。如此大規模的新增裝機容量，如何保證風電機組的吊裝安全，將是一個非常重要的問題，特別是進入到2020年，由于國家對上網電價補貼政策的逐步取消[2]，風電行業進入了搶裝潮，更是增大了風力發電機組吊裝安全的風險，導致風電安全事故頻發，截至2020年10月，2020年報道的風電事故有19起[3]，其中4起為吊裝安全事故，造成了重大的經濟損失與多名人員傷亡。

主機吊具是風力發電機組吊裝必備的重要部件，其承載著整個吊裝主機的重量，將風力發電機組的主機起吊到幾十米、甚至上百米的高空，一旦發生問題，將直接造成重大的經濟損失，并威脅著吊裝作業人員的生命安全[4-5]，因此，對風電機組主機吊具的強度校核及優化分析具有重要意義。本文根據某MW級風力發電機組的吊裝方案，設計了相應的主機吊裝吊具，根據吊裝現場的實際情況，設置合理的吊裝工況及載荷系數，采用大型有限元仿真軟件ANSYS對其吊具進行校核分析，并根據計算結果進行結構優化，以保證其功能與強度達到應用要求。

1 吊裝方案與吊具結構設計

影響風力發電機組主機吊具結構設計的因素很多，其主要因素有四個，一是吊裝方案。通常，風電機組的主機吊裝時，采用一臺主力吊機，將吊機的吊鉤、吊具與風電機組的主機通過吊帶進行連接，先將主機起吊一定的高度，通常離地約200 mm左右，然后調節主機的縱向和橫向的水平，待安裝人員撤離到安全位置后，開始正式吊裝[6-7]；因為主力吊機僅有一個吊點，風電機組主機則有多個吊點，如果將主力吊機直接通過吊帶與主機吊點相連，會對主機吊點產生較大的彎矩，增加了主機部件設計的難度與加工成本，而通過主機吊具進行轉接之后，可以消除或減小主機吊點承受的彎矩。二是主機吊點的分布方式。三是主機的重量，也就是吊具所承受的載荷。四是吊具的加工方式。綜合考慮以上多個因素，風力發電機組主機吊具結構設計如圖1所示，其主結構是由兩個外徑為610 mm、壁厚為30 mm的圓形鋼管呈T字型焊接而成；風力發電機組的主機吊裝方案示意圖如圖2所示。

圖1 風力發電機組吊具結構

圖2 風力發電機組吊裝方案示意圖

2 吊具強度分析

2.1 有限元模型

風力發電機組主機的吊裝揚程高、載荷大[8]，為了能更精確地計算風力發電機組主機吊具的強度，確保其安全性，對主機剛度影響較大的關鍵部件以及主機吊具全部進行實體建模，其中包括對吊帶的模擬，以使有限元分析的工況更接近于實際的風力發電機組主機的吊裝過程。因為風力發電機組主機的結構復雜，包括機艙彎頭、發電機、齒輪箱、主軸承、風輪鎖定法蘭以及機頂平臺等部件，而每一個部件又包含很多零部件以及附屬結構，如果全部進行有限元建模，會導致有限元模型的建模時間、網格數量、節點數量大幅增加，計算效率大幅降低，但對最終的計算結果卻影響不大，因此，為縮短有限元建模時間、減少有限元模型的網格與節點數量、提高計算效率，對主機模型進行了大量簡化，在有限元分析模型中，風力發電機組主機部分只保留傳遞剛度的關鍵部件，刪除各部件不必要的零部件及附屬結構；風力發電機組主機吊具作為分析的主體，則保留全部特征；對于主吊機部分，僅在吊鉤的吊點位置建立一個節點作為約束條件用于計算。

風力發電機組主機吊裝的所有部件均采用SolidWorks進行幾何建模，并通過Parasolid格式導入到Workbench中進行網格劃分，為提高網格劃分的質量，模型中刪除了小的倒角、圓角、螺栓孔、凸臺等不利于網格劃分的幾何特征[9-10]；有限元模型中主機各關鍵部件以及吊具均采用實體建模，為了進一步減少網格、節點數量，提高計算效率，在保證不影響計算結果精度的情況下，吊具采用高階六面體單元進行網格劃分，而主機各關鍵部件則采用低階六面體單元進行網格劃分，吊帶采用Link10單元進行模擬，Link10單元稱為3D僅拉或壓單元，是一個軸向僅受拉或僅受壓的桿單元，可模擬纜索或間隙等[11]，通過設置Link10單元的實常數使其僅受拉。各部件之間根據實際的裝配關系建立相應的接觸，最后在ANSYS Classic中進行設置并求解，整體有限元模型如圖3所示，

吊具的有限元模型如圖4所示。

圖3 整體有限元模型

圖4 吊具的有限元模型

2.2 材料參數

有限元模型各部件的材料參數如表1所示。吊具材料Q345的性能參數如表2、表3所示。

表1 各部件的材料參數

表2 Q345材料屈服強度[12]

表3 Q345鋼材設計值[13]

焊縫上的極限應力為[14]：

2.3 載荷邊界

通過對風力發電機組主機的吊裝過程分析可知，在整個吊裝過程中，吊裝動作只有上下起吊與平行移動，且整個吊裝過程的動作相對較為平穩，因此，吊具所承受的主要載荷來自于主機的重力載荷；同時，由于主機在整個吊裝過程中，存在不同吊裝動作的切換，而主機的重量很大，因此，需要考慮慣性引起的晃動偏移；另外，風力發電機組主機要起吊的高度有數十米，甚至上百米，通常風速隨著高度增加而不斷增大，且主機的截面積較大，因此，風速對風力發電機組主機的吊裝也有很大的影響，需要給予考慮；綜合考慮各種影響風力發電機組主機吊裝過程的因素，吊具的設計載荷通過下式得到[15]：

＝fγGd（2）

式中：為吊具的設計載荷，N；f為高空吊裝載荷系數，本文根據吊裝環境取1.5；γ為重力載荷系數，根據所提供重量的準確程度確定，本文取1.35；為起吊的主機重力載荷，N；d為動態載荷系數，包括震動、晃動、陣風等，通常取1.1。

根據風力發電機組總體設計參數得到主機的重心位置以及重量為250 t，在有限元模型建模時，在主機重心位置建立一個質量點，通過施加重力加速度的方式來達到加載的目的，而質量點則通過MPC接觸與主機部件進行連接，并通過主機吊點將載荷傳遞至吊具上；在主吊鉤處建立節點，約束該節點的所有自由度。

2.4 結果分析

按照上述的加載方法及載荷大小，對風力發電機組主機吊具的強度進行有限元分析，其應力分布云圖如圖5所示，根據吊具鋼管的壁厚、加強筋板厚度、焊接型式等確定焊縫處的許用應力[]＝236.36 MPa，為了更清晰的顯示出吊具超出許用應力的位置，將應力分布云圖下方彩色條的最大值設置為236.36 MPa，則超出許用應力的位置顯示為灰色。根據應力云圖顯示的結果可知，最大von Mises應力約為733.71 MPa，位于吊具橫梁鋼管與其加強筋板的焊縫處；同時，吊具橫梁與縱梁在T型交匯焊接處的最大von Mises應力為353.09MPa；由此可知，主機吊具多個位置的強度不滿足要求，需要進行優化。

圖5 吊具應力分布云圖

由于主機吊具的吊耳與吊帶的連接在有限元模型中是通過如下方式進行模擬的，即在吊耳孔中心建立一個節點，該節點與吊耳孔表面通過BEAM4單元進行連接，與其他吊點則通過Link10單元進行連接，這種連接模擬的方式與實際有一定的差異，導致有限元分析的結果不夠精確，基于此，主機吊具的吊耳則采用工程算法進行重新校核。提取有限元計算中主機吊具的吊耳承受的最大拉力為＝1.92E6 N，采用該拉力對吊耳的拉應力、剪切應力進行強度校核：

（1）吊耳吊繩方向的最大拉應力

根據吊耳承受的拉力以及剪切面積得：

根據Q345鋼材設計值[13]及吊耳壁厚，確定許用剪切強度[]＝141 MPa。

＜[]，滿足要求。

綜合以上分析結果，風力發電機組主機吊具的焊縫強度不滿足要求，吊具吊耳與鋼管本體可以滿足強度要求。

3 吊具結構優化設計

為了更清晰的顯示風力發電機組主機吊具在載荷作用下的變形情況，以方便對其進行受力分析，將變形顯示比例放大了100倍，同時將應力分布云圖下方彩色條的最大值設置為焊縫許用應力值236.36 MPa，如圖6所示。通過對風力發電機組主機吊具的受力分析以及變形放大云圖可知，主機的重力載荷通過吊帶傳遞至吊具下方的吊耳上，而吊具上方的吊耳則由與主機吊鉤相連的吊帶進行約束，因此，主機的重力載荷使得吊具發生了彎曲；同時，由于吊具縱梁的長度較長，達到了5100 mm，因此，吊具縱梁在長度方向上的剛度相對較低；另外，在吊具橫梁與縱梁的交會焊接處、鋼管與加強筋板的焊接處應力集中較為嚴重；這些原因都將導致風力發電機組主機吊具的應力較大。

基于上述對風力發電機組主機吊具的受力分析，可以采用以下優化方案：

（1）將吊具橫梁上方的吊耳盡量外移，以縮短吊具橫梁上下吊耳懸臂的長度，以減小吊具橫梁所承受的彎矩；

（2）在吊具橫梁上增加加強筋板，以增大吊具橫梁的抗彎剛度，減少吊具橫梁的彎曲變形；

（3）在吊具橫梁與吊具縱梁T型交匯焊接處增加加強筋板，以降低該區域焊縫所承受的載荷；

（4）沿著吊具縱梁方向增加加強筋板，提高吊具縱梁的抗彎剛度，以減小吊具縱梁的彎曲變形。

另外，通過對主機吊具的應力分布云圖分析可知，吊具縱梁與吊具橫梁鋼管本體的應力較小，可以適當減小鋼管的壁厚，在滿足強度要求的情況下，可以達到減重的目的。綜合以上分析，優化后的風力發電機組主機吊具三維模型如圖7所示。

圖6 吊具變形放大云圖

圖7 優化后的吊具結構

按照上述的加載方法及載荷大小，對優化后的風力發電機組主機吊具的強度進行有限元分析，其應力分布如圖8所示，由分析結果來看，主機吊具焊縫的最大von Mises應力由優化前的733.71 MPa減小到優化后的224.86 MPa，最大von Mises應力降低了69.4%，滿足強度要求；主機吊具的重量由優化前的10685.07 kg減小到優化后的9587.46 kg，重量減了約1.1 t，降低約10.3%。

圖8 優化后吊具的應力云圖

4 結論

結合風力發電機組主機的實際吊裝過程，采用大型商用有限元仿真軟件ANSYS對其吊裝吊具進行計算分析，并根據有限元分析計算的結果、應力變形情況以及吊具的受力分析，對應力較大的區域進行加強，而應力較小的區域則進行減薄。通過優化，風力發電機組主機吊具焊縫的最大von Mises應力有了大幅的減小，從優化前的733.71MPa減小到優化后的224.86 MPa，最大von Mises應力降低了69.4%，滿足了強度要求；同時，主機吊具的重量由優化前的10685.07 kg減小到優化后的9587.46 kg，重量減少了約10.3%，降低了吊具的材料成本。目前，該吊具已廣泛應用于實際項目的風力發電機組吊裝。

[1]夏云峰. 2019年全球新增風電裝機超60GW[J]. 風能，2020 （4）：36-41.

[2]劉威，薛振，楊慧杰. 風機搶裝潮下的風電專用起重機應用機遇[J]. 石油化工建設，2020（2）：17-19.

[3]莫小雅. “瘋狂”2020 搶工期、抓進度、保電價…風電搶裝之殤[EB/OL].[2020.9.25].https://news.bjx.com.cn/html/20200925/1106855.shtml.

[4]姜龍，李林杰，王廣欣，等. 基于ABAQUS的吊具工裝強度分析及優化設計[J]. 機械，2015，42（1）：29-31.

[5]馬賽雄. 風電工程風電吊裝技術要點分析[J]. 科技與創新，2015（16）：150-151.

[6]胡勇. 淺談風力發電機的運輸與吊裝[J]. 科技與企業，2014（16）：261.

[7]卓豪海. 淺析大型風力發電機組吊裝方案設計改進[J].風能，2016（9）：58-60.

[8]田興明，蔡亞森. 起重機臂架風電吊裝載荷工況性能研究[J].建筑機械，2019（4）：101-106.

[9]晁貫良，蘇鳳宇，周勝，等. MW級風力發電機輪轂與主軸連接螺栓強度分析[J]. 機械與電子，2016，34（7）：38-41.

[10]譚曉麗. 有限元分析在吊具設計中的應用[J]. 金屬加工，2014（6）：80-82.

[11]王新敏，李義強，許宏偉. ANSYS結構分析單元與應用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[12]國家市場監督管理總局，中國國家標準化管理委員會.低合金高強度結構鋼：GB/T 1591－2018 [S]. 北京：中國標準出版社，2018.

[13]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. 鋼結構設計規范：GB 50017－2017 [S]. 北京：中國工業建筑出版社，2020.

[14]Deuscher Ausschuβ für Stahlba. Steel structures-Part 1：Design and construction：DIN 18800-1：2008-11 [S]. 2008.

[15]Germanischer Lloyd. Rules and Guidelines, IV-Industrial Services, Part 1-Guideline for the Certification of Wind Turbines. 2010 Edition[S].

Strength Analysis and Optimization Design of the Wind Turbine Lifting Appliance Based on ANSYS

LIU Shengju，ZHAO Chunyu，ZOU Libing，NI Min

(Ming Yang Smart Energy Group Limited, Zhongshan 528437, China)

The structural strength of the wind turbine lifting appliance is related to the safety of hoisting operation, and needs to be checked strictly. Taking the hoisting of a MW wind turbine as an example, the lifting appliance is designed. ANSYS software is used to carry out finite element modeling combined with the actual hoisting process, and the strength of the lifting appliance is calculated. According to the results of finite element calculation, stress distribution and deformation, the force condition of the lifting appliance in the hoisting process of wind turbine is analyzed, and the structure of the lifting appliance is optimized. After optimization, the maximum von Mises stress of the wind turbine lifting appliance is reduced from 733.71 MPa to 224.86 MPa, and the stress is reduced by 69.4%, meeting the strength requirements. The weight of the lifting appliance is reduced from 10685.07 kg to 9587.46 kg at the same time, and the weight is reduced by 10.3% and reduces the material cost of the lifting appliance.

The Wind Turbine；Lifting Appliance；ANSYS；Optimization

TH133.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.08.009

1006-0316 (2021) 08-0059-06

2020-11-03

柳勝舉（1986－），男，河南周口人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為風力發電機組結構設計及有限元分析，E-mail：liushengju@mywind.com.cn。