唐瑞宏， 湯赫男， 許增金， 王世杰

（1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)風(fēng)電有限公司，沈陽 110869）

0 引言

我國風(fēng)能資源豐富，近幾年風(fēng)電事業(yè)得到長足發(fā)展，但我國風(fēng)力機(jī)設(shè)備制造，設(shè)備利用率和風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等一系列技術(shù)問題還有待于進(jìn)一步解決。其中，最亟待解決的是塔架損壞的問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在諸多風(fēng)力機(jī)的損壞形式中，塔架的折斷占到了18%，位居各項(xiàng)破壞形式之首，這說明目前塔架的設(shè)計(jì)還存在缺陷。塔架是風(fēng)力機(jī)重要的承載部件，它除了支撐風(fēng)力機(jī)的重量之外，還要承受風(fēng)壓力和風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動載荷。塔架可以近似看成一種細(xì)長體薄壁結(jié)構(gòu)，在軸向壓力的作用下易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須特別關(guān)注其穩(wěn)定性。研究塔架穩(wěn)定性問題，需要借助于有限元屈曲分析方法。屈曲分析是用于確定結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)時(shí)的屈曲載荷和屈曲模態(tài)的一種技術(shù)手段。ANSYS中提供了兩種進(jìn)行屈曲分析的方法：線性（特征值）屈曲分析和非線性屈曲分析。線性屈曲分析即傳統(tǒng)的理想線彈性屈曲分析方法，然而非理想和非線性行為阻止了實(shí)際結(jié)構(gòu)達(dá)到該理論極限載荷預(yù)計(jì)的階段，故線性屈曲分析會產(chǎn)生非保守的結(jié)果。而非線性屈曲分析可以得到更精確的屈曲載荷，是打開大變形效應(yīng)開關(guān)的一種靜力分析，考慮結(jié)構(gòu)的初始缺陷和材料非線性等特性。非線性屈曲分析提取線性屈曲分析結(jié)果作為非線性屈曲的幾何缺陷，然后逐漸對結(jié)構(gòu)加載，該過程一直進(jìn)行到結(jié)構(gòu)的極限載荷或最大載荷為止。研究塔架穩(wěn)定性的目的在于確定塔架在軸向壓力作用下的臨界載荷及其相應(yīng)的屈曲模態(tài)，以加強(qiáng)安全措施，提高結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力［3］。本文借助于 ANSYS12.0有限元軟件，對2MW78m風(fēng)力機(jī)塔架進(jìn)行非線性屈曲分析，分析塔架門對塔架穩(wěn)定性的影響。

1 塔架有限元模型的建立與加載

1.1 單元類型的選擇

SHELL93為8節(jié)點(diǎn)彈性殼單元，可以很好地模擬曲殼，該單元的每個節(jié)點(diǎn)有6個自由度，即沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x、y和z方向的平動位移和繞各軸的轉(zhuǎn)動位移［1］，采用殼單元SHELL93模擬塔架結(jié)構(gòu)，分為是否存在塔架門的兩種類型，分別對塔架進(jìn)行有限元屈曲分析計(jì)算。

1.2 塔架參數(shù)

塔架為圓筒形式，是目前風(fēng)力機(jī)普遍采用的典型結(jié)構(gòu)形式。該塔架的高度為78 m，最大壁厚為30 mm，最小壁厚為12 mm，塔底外徑為2.15 m，塔頂外徑為1.477 5 m。材料為Q345鋼，屈服強(qiáng)度為345 MPa，泊松比為0.2，彈性模量為2.1×1011Pa，材料密度為7 850 kg/m3。

1.3 加載方案

有限元分析的關(guān)鍵問題在于將實(shí)際工程系統(tǒng)的物理模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。風(fēng)力機(jī)塔架內(nèi)部設(shè)有一些附屬設(shè)備：如平臺、爬梯、通風(fēng)口等。有限元分析時(shí)，可以對塔架幾何模型作適當(dāng)簡化，原則是在保證整體計(jì)算精度的前提下，簡化一些與塔架穩(wěn)定性分析無關(guān)或承載非關(guān)鍵的部位，以提高計(jì)算速度。

坐標(biāo)原點(diǎn)在塔架底部中心處，Z軸正向?yàn)榇怪钡酌嫦蛏稀Ｋ艿锥巳s束，頂端施加方向沿Z軸反方向的單位載荷，塔架整體受重力作用，重力加速度為-9.8 m/s2。其中有塔架門模型的單元數(shù)為4 572個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 650個。有塔架門的殼單元塔架的有限元模型，如圖1所示。

圖1 有塔架門的殼單元塔架的有限元模型

2 有限元屈曲分析

2.1 經(jīng)典ANSYS非線性屈曲分析過程

1）打開預(yù)應(yīng)力開關(guān)選項(xiàng)，進(jìn)行線性屈曲分析；

2）設(shè)置幾何缺陷，逐漸對結(jié)構(gòu)加載；

3）采用線性搜索方法，進(jìn)行非線性屈曲分析；

4）結(jié)果后處理，建立載荷和位移關(guān)系曲線，確定結(jié)構(gòu)的非線性臨界載荷。

圖2 無塔架門線性屈曲第一階等效應(yīng)力圖

圖3 有塔架門線性屈曲第一階等效應(yīng)力圖

2.2 屈曲有限元結(jié)果分析及校核

2.2.1 線性屈曲結(jié)果分析

打開預(yù)應(yīng)力開關(guān)選項(xiàng)，進(jìn)行線性屈曲分析。由線性屈曲分析結(jié)論可知，無塔架門線性屈曲第一階特征值是0.499 02×108，而有塔架門線性屈曲第一階特征值是0.494 39×108。從計(jì)算結(jié)果中可以看出：無塔架門線性屈曲特征值大于有塔架門線性屈曲特征值，這說明無塔架門的塔架穩(wěn)定性優(yōu)于有塔架門的塔架，即塔架門的存在會降低塔架抵抗屈曲失穩(wěn)的能力。無塔架門線性屈曲第一階等效應(yīng)力圖，如圖2所示。有塔架門線性屈曲第一階等效應(yīng)力圖，如圖3所示。

2.2.2 強(qiáng)度校核

通過ANSYS后處理功能，可直觀形象地將塔架的強(qiáng)度分析結(jié)果表示出來，如圖2、圖3所示。

強(qiáng)度檢驗(yàn)條件：σmax<［σ］，其中σmax為計(jì)算出的最大應(yīng)力，［σ］為材料許用安全應(yīng)力。塔架材料的屈服極限σs=345 MPa，則其許用應(yīng)力為：［σ］=σs/n，n 為材料的安全系數(shù)。根據(jù) GL規(guī)范，n=1.1，則［σ］=313.6 MPa。其中ANSYS計(jì)算出的無塔架門塔架的最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；有塔架門塔架的最大應(yīng)力值大于許用應(yīng)力，強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，需考慮門框加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

2.2.3 非線性屈曲結(jié)果分析

1）無塔架門塔架非線性屈曲結(jié)果分析。由線性屈曲分析結(jié)論可知，無塔架門線性屈曲的載荷因子達(dá)到0.499 02×108時(shí)發(fā)生屈曲，對于非線性屈曲，載荷因子達(dá)到0.48×108時(shí)發(fā)生屈曲，選取應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)776號位移載荷圖，如圖4所示。非線性屈曲因子小于線性屈曲因子，非線性屈曲結(jié)果更為保守。

圖4 節(jié)點(diǎn)776號位移載荷圖

圖5 節(jié)點(diǎn)32號位移載荷圖

2）有塔架門塔架非線性屈曲結(jié)果分析。由非線性屈曲分析結(jié)論可知，有塔架門塔架線性屈曲的載荷因子達(dá)到0.494 39×108時(shí)發(fā)生屈曲，對于非線性屈曲，載荷因子達(dá)到0.46×108時(shí)發(fā)生屈曲，選取應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)32號位移載荷圖，由圖5所示。非線性屈曲因子小于線性屈曲因子，同樣產(chǎn)生保守結(jié)果。

2.2.4 分析結(jié)果比較

不論是線性屈曲分析，還是非線性屈曲分析，得到的結(jié)果都是無塔架門塔架的第一階屈曲載荷值大于有塔架門塔架的第一階屈曲載荷值，塔架門會降低塔架的屈曲臨界載荷值，即降低同種工況下塔架抵抗屈曲失穩(wěn)的能力，需特別關(guān)注塔架門附近的應(yīng)力并考慮門框加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

塔架穩(wěn)定性取決于其一階屈曲臨界載荷，塔頂端的葉輪和機(jī)艙的總重力為1.18 MN，極限工況下的軸向壓力為1.056 2 MN，合力為2.236 2 MN。取經(jīng)典ANSYS有塔架門的非線性屈曲結(jié)果為例，屈曲因子為非線性屈曲特征值與合力的比，約為20，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，對曲線外形件的綜合彎曲，如管狀塔架和葉片，屈曲因子大于1.2就不會發(fā)生屈曲失穩(wěn)。該塔架的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，不會發(fā)生屈曲失穩(wěn)。

3 結(jié)論

本文采用有限元ANSYS軟件的非線性屈曲分析方法，對2MW78m風(fēng)力機(jī)薄壁塔架進(jìn)行了有限元屈曲分析，研究風(fēng)力機(jī)在軸向壓力作用下的塔架門對塔架屈曲的影響。塔架門的存在會降低塔架屈曲特征值，降低同種工況下塔架抵抗屈曲失穩(wěn)的能力。有塔架門塔架的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在塔架門附近，應(yīng)力最大位置是發(fā)生屈曲失穩(wěn)的危險(xiǎn)點(diǎn)，需進(jìn)行強(qiáng)度校核，但強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，的考慮門框加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

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