額定風速下裝配式UHPC 風電塔筒靜力與疲勞性能

張學森， 吳香國， 李 丹， 申 超， 楊 靜， 邱發強， 王 龍

（1.中國廣核新能源控股有限公司， 北京 100070； 2.福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350108； 3.哈爾濱工業大學 結構工程災變與控制教育部重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150090； 4.保定建業集團有限公司， 河北保定 071000； 5.上海風領新能源有限公司， 上海 200021； 6.哈爾濱電站設備成套設計研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090； 7.健研檢測集團有限公司， 福建 廈門 361004）

0 引言

塔架是風力發電機組的重要組成部分， 它下連基礎、上支撐風電機和風輪等主機部件，要求有足夠的剛度和強度。 隨著多兆瓦級風電工程的發展， 研發與大功率主機配套的超高高度（百米以上）新型塔架越來越受到關注。目前常見的高塔架形式主要有鋼制錐筒、桁架、混凝土筒以及組合式塔筒等[1]。 普通鋼筋混凝土塔筒一般由錐筒節段通過專用連接設計而成， 其截面剛度較鋼制塔筒大。

塔筒在軸向應力、 橫向彎剪等耦合作用下形成損傷，損傷在擾動載荷作用下累積，疲勞破壞一般發生在局部高應力區域。塔架結構為變截面，高應力出現在節段截面外徑表面處[1]。 因此，風電塔筒在擾動載荷作用下，塔筒某些局部區域（結構總體突變區域或局部連接區域） 將產生疲勞累積損傷。 文獻[2]開展了對預應力砼-鋼組合風電塔筒連接段的性能研究。 塔架受到的擾動載荷包括塔架表面均布風載荷、 葉輪氣動推力及其同塔架自重和機組自重的耦合等[3]，[4]。基于有限元的疲勞分析進行“全場”疲勞壽命分析，是結構設計和方案分析中通常采用的方法。 有限元軟件FE.SAFE 可用來開展結構的疲勞仿真分析。 近年來，基于FE.SAFE 的疲勞分析多集中在結構部件。 文獻[5]采用全系統載荷計算結果和有限元分析相結合的方法， 開展了氣動載荷和機械載荷共同作用下的結構動力學響應分析和疲勞性能分析。 文獻[6]應用FE.SAFE 軟件，開展了轉葉式舵機的疲勞分析。文獻[7]基于ANSYS/FE.SAFE 對后機架的焊縫進行了疲勞強度計算。 文獻[8]基于ANASYS/FE.SAFE對兆瓦級風電機組變槳擋塊強度進行了分析。 文獻[9]開展了塔筒門洞焊縫多軸疲勞累積損傷計算，確定了門洞焊縫最危險位置。 文獻[10]開展了鋼筋混凝土梁疲勞性能的有限元分析。 為了進一步提高風電混凝土塔筒受力性能， 降低預制節段自重， 全高或者局部節段采用超高性能混凝土（UHPC）， 有望解決普通混凝土塔筒局部性能超限的問題。UHPC 具有超高的力學性能、耐久性能和工作性能，其抗壓強度可以達到180～200 MPa，抗折強度可以達到20～30 MPa， 由于鋼纖維的增強增韌， 材料的疲勞性能較高， 適合于承受動載荷、疲勞載荷作用下的特種工程結構。

本文介紹了新型節段裝配式UHPC 風電塔筒（H120 型）的基本概念，基于ABAQUS 有限元分析，考察了額定風速工況下的塔架應力、應變和位移響應情況。 采用FE.SAFE 軟件，從疲勞壽命、安全系數及疲勞失效概率等角度， 分析了UHPC風電塔筒的結構整體疲勞壽命， 給出了塔筒的使用年限和安全系數建議取值。 本文為H120 型新型裝配式風電塔筒結構設計方案的評定提供了科學參考。

1 UHPC 節段拼裝風電塔筒基本結構

本文以120 m 典型高度（H120）的風電塔筒為例， 其輪轂高度為123 m， 采用抗壓強度等級200 MPa 的新型UHPC 塔筒， 預制節段為錐形筒體結構，如圖1 所示。 塔筒自上而下分為三部分：頂部為鋼制轉接段，高度2 m，壁厚20 mm；中部和下部塔筒采用UHPC，高度為118 m，其中中部塔筒和鋼制轉接段連接， 高度98 m， 壁厚200 mm；下部塔筒高20 m，壁厚300 mm。 UHPC 塔筒之間通過螺栓實現柔性連接。考慮到運輸需求，下部UHPC 塔筒豎向拆分為節段高度5 m 的若干段，節段間采用螺栓連接。塔筒在豎向整體上采用體外預應力連接。 為了便于螺栓固定和預應力束就位，在節段間增設環肋。 塔筒底端外徑為12 m，頂部外徑為3 m。

圖1 H120 型UHPC 塔筒組成示意圖Fig.1 Composition diagram of H120 UHPC tower

塔架所用UHPC 的密度、彈模、泊松比、塑性應變分別為3 000 kg/m3，36 GPa，0.2，0.001 6。 預應力鋼筋采用1860 七股鋼絞線， 直徑為15.2 mm，彈性模量為195 GPa，每個預應力孔道布設6束鋼絞線， 共計48 束。 H120 新型塔筒配套的3 MW 主機參數和結構參數如表1 所示[11]。 應用ABAQUS通用有限元軟件對額定風速下的塔筒靜力性能進行分析。

表1 風力機主要參數Table 1 Main parameters of wind turbine

2 塔筒靜力性能分析

本文在ABAQUS 有限元建模過程中塔筒部分采用實體單元，材料參數如前所述，在Interaction 模塊中，節段間采用tie 綁定。 邊界條件為塔筒根部固定，在頂端施加重力載荷、塔頂三方向集中力以及頂部彎矩和塔筒風載荷。 考慮到塔架過高過大，為優化網格劃分，在對塔架切割后，采用結構和掃略兩種方式對塔架進行網格劃分。 塔架有限元（FEM）模型如圖2 所示。 塔筒頂部輸入載荷值如表2 所示。

圖2 塔架分網圖與加載圖Fig.2 Tower mesh diagram and loading diagram

表2 額定風速下的塔筒頂部載荷Table 2 Loads on the top of the tower under rated wind

在額定風速下， 塔筒應力應變云圖計算結果如圖3 所示。

圖3 塔筒節點應力云圖Fig.3 Stress nephogram of tower joint

額定風速下， 沿塔筒高度范圍內的迎風面和背風面的應力結果如表3 所示。 其中，σw為迎風面最大主應力，σl為背風面最大主應力，U 為側向位移，fuc為UHPC 抗壓強度設計值，U/H 為相對側移。 考察3 種UHPC 抗拉強度級別， 即UHT-Ⅰ（fut-Ⅰ=4.2 MPa），UHT-Ⅱ（fut-Ⅱ=6.4 MPa）和UHT-Ⅲ（fut-Ⅲ=10.0 MPa）對應的迎風面（塔筒彎拉側）應力水平。結果表明；迎風面應力水平最大位于標高40～50 m， 采用UHT-Ⅱ和UHT-Ⅲ的最大拉應力水平分別為56.09%和35.90%， 滿足設計要求[12]；背風面（塔筒彎壓側）最大壓應力水平為14.64%，塔頂最大相對側向位移為0.39%，滿足設計要求[12]。

表3 額定風速下的塔筒節段應力、應變和位移響應Table 3 Stress, strain and displacement results under the rated wind load

續表3

3 塔筒結構疲勞有限元分析

3.1 塔筒疲勞驗算基本流程

風電混凝土塔筒疲勞壽命可按以下流程進行計算。

①獲取塔筒混凝土材料性能、 幾何形狀、加載歷程等信息，根據靜力分析求出塔筒外表面相應節點應力譜，通過有限元靜強度分析判斷結構危險點位置。FE.SAFE 基于載荷時間歷程和單位載荷應力張量的乘積，計算出每個節點的6 個應力張量的時間歷程。 設置FE.SAFE 數據集的載荷工況和彈性應力分別為PFE和SFE，載荷時間歷程P（t）中的數據點值為PK，則節點上的彈性應力和彈性應變的時間歷程可分別按式（1），（2）計算。

基于多軸Neuber 準則，在得到各單元面上的主應力時間歷程后， 可用材料記憶算法得到循環屈服載荷引起的彈塑性應力和相應的應變值，進而得到循環載荷下的節點雙軸應力狀態的本構關系。對于單一載荷時間歷程，節點上的主應力方向不變。

②獲取工作載荷譜。對于隨機載荷歷程，危險點的隨機載荷譜可用雨流計數法等效轉換為變幅載荷譜。

③塔筒的疲勞壽命。 根據材料疲勞壽命曲線假設和載荷譜，采用Miner 準則（線性損傷累積準則）計算節點上的疲勞壽命。

構件在反復作用下的損傷， 隨著應力循環線性累積，當損傷達到臨界值時，發生疲勞破壞。 當結構或構件受到k 個不同應力水平的變幅循環載荷作用時， 若發生了ni個應力水平為Δσi的循環，且每一個Δσi下發生了Ni次疲勞循環，其中，單次循環損傷為1/Ni，那么，每個應力水平下的ni個循環的總損傷Di=ni/Ni。疲勞破壞的極限是累計損傷為1，即：

對于給定設計壽命，FE.SAFE 可通過迭代給出相應的應力因子，也即安全系數。雨流計數法為FE.SAFE 的內核，可分析疲勞載荷信號。FE.SAFE實現了疲勞壽命計算可視化， 通過三維云圖可以直觀地顯示出對數壽命和給定壽命的安全系數，對比分析預計值和設計要求值，評定結構設計。本文采用ABAQUS/FE.SAFE 對H120 風電塔筒和疲勞壽命進行分析。

3.2 H120 節段拼裝風電塔筒疲勞有限元分析

FE.SAFE 可讀取靜力有限元分析結果，比如單位載荷或實際工作載荷下的節點應力和節點溫度等， 進而將結果迭代生成工作應力時間歷程， 或換算成特定類型載荷作用下的彈塑性應力。 從材料庫中選取相應的材料，完成疲勞數據的定義。

直接將基于ABAQUS 的風力機塔架靜力性能的分析計算結果的odb 文件導入FE.SAFE 中，編輯載荷譜，使塔架結構應用此載荷歷程。計算塔筒在疲勞載荷下的使用壽命、安全系數及失效概率。

①材料屬性定義。 考慮到塔筒在疲勞載荷作用下，混凝土應力水平較低，選用FE.SAFE 材料庫中的通用材料SAE950C 近似模擬塔筒的疲勞性能；②繪制材料的S-N 曲線圖（圖4）；③在load模塊中分別添加從ABAQUS 導出的載荷數據和S-N 曲線圖；④在fatigue from FEA 中設置完分析步，即可開始分析。在抽樣頻率為1/h 的前提下，計算得到的塔架載荷譜見圖5。

圖4 材料疲勞壽命曲線Fig.4 Material fatigue life curve

圖5 FE-SAFE 載荷譜設置與疲勞載荷譜Fig.5 FE-SAFE load spectrum setting and fatigue load spectrum

4 驗算結果

將得到的疲勞分析結果文件導入ABAQUS進行后處理，分析疲勞壽命和安全系數。 在上述載荷譜作用下，UHPC 塔筒的疲勞壽命及連接段的疲勞壽命（局部放大）云圖如圖6 所示，塔筒的安全系數及失效概率分別如圖7、圖8 所示。

圖6 塔筒疲勞壽命云圖及局部放大云圖Fig.6 Tower fatigue life and local enlarged nephograms

圖7 塔筒疲勞安全系數圖Fig.7 Fatigue safety factor diagram of tower

圖8 塔筒疲勞失效概率云圖Fig.8 Tower failure probability nephograms

由圖6 可見，在載荷譜作用下，塔架最小壽命發生在UHPC 上部塔筒和下部塔筒過渡變錐度區域， 說明疲勞累積損傷對H120 型塔筒錐度變化敏感，塔筒的最大對數疲勞壽命為7，即塔筒的疲勞壽命為107次。 定義疲勞安全系數為疲勞計算壽命和設計壽命之比，即疲勞可靠度，由圖7 可知，其最大值和最小值分別為2 和0.5。 由圖8 可知，塔筒的最大失效概率為1%，滿足設計要求。塔筒的變截面局部區域和迎風面處均有裂縫產生，因此，建議對塔架連接處進行優化設計，包括局部調整截面錐度或者采用局部組合截面設計，降低局部區域的應力水平， 提高塔筒局部疲勞性能。

5 結論

①本文以H120 風電UHPC 塔筒為案例，基于ABAQUS 有限元分析方法，考察了額定風速下迎風面和背風面塔筒應力水平， 以及塔頂的相對側移， 獲得了基于UHC200 下的3 個抗拉強度等級對應的UHPC 最大應力水平響應值及其范圍，為H120 型UHPC 風電塔筒方案的深化設計和選材提供了依據。

②基于有限元FE.SAFE 開展了塔筒疲勞載荷下的性能研究，驗算了塔架疲勞壽命、安全系數及失效概率， 給出了H120 型UHPC 塔筒使用壽命和安全系數值， 以及疲勞損傷在變錐度塔筒局部區域和塔筒迎風面的集中分布規律， 為加強塔筒變錐度局部區域設計提供了依據。