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        兆瓦級風電機組機艙罩穩(wěn)定性分析

        2015-10-18 02:53:24鄧樹斌江一杭
        天津科技 2015年7期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)分析

        鄧樹斌,江一杭

        (天津東汽風電葉片工程有限公司 天津 300480)

        0 引 言

        對于薄璧受壓結(jié)構(gòu),失穩(wěn)往往成為其結(jié)構(gòu)破壞的主要表現(xiàn)形式,且失穩(wěn)載荷通常遠小于強度破壞載荷,同時由于失穩(wěn)過程的突發(fā)性和強破壞性,一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)往往帶來災(zāi)難性后果。因此,對薄璧受壓結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析,提前預(yù)測結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的載荷條件及容易發(fā)生失穩(wěn)的區(qū)域,進而進行針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計以改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況,避免工作中因失穩(wěn)導致結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象的發(fā)生,具有重要的指導意義。

        作為風電機組的重要組成部件,風機罩殼承擔著抵抗環(huán)境載荷的作用,為機組提供可靠運行空間,保護機組免受外部環(huán)境干擾。罩殼能否正常安全工作,直接影響到機組的運行情況。

        機艙罩作為一種典型的薄璧結(jié)構(gòu),在載荷作用下,結(jié)構(gòu)屈曲失效往往是其主要的破壞模式,即由于機艙罩剛度不足引起結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)進而導致機艙罩的整體破壞。因此,對機艙罩進行穩(wěn)定性分析以保證其剛度布置,確保機艙罩在設(shè)計載荷條件下能正常工作,對于保證風電機組的正常運行具有十分重要的工程意義。

        本文以某兆瓦級機組機艙罩為分析對象,通過有限元方法詳細分析其在設(shè)計載荷下的穩(wěn)定性響應(yīng),為該型號機艙罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用提供了相關(guān)參考。

        1 分析模型的建立

        根據(jù)某兆瓦級機艙罩的幾何模型,利用分析軟件建立了機艙罩的有限元模型。因機艙罩為薄璧結(jié)構(gòu),其厚度方向尺寸遠小于其余兩個方向的尺寸,建模時采用二維平面單元進行網(wǎng)格劃分,對于模型中的桿類結(jié)構(gòu),采用一維梁單元進行網(wǎng)格劃分,機艙罩各部分通過螺栓單元連接在一起。

        機艙罩通過金屬轉(zhuǎn)接件連接到機架上,在有限元模型中,通過固定約束模擬機架對機艙罩的支撐作用。

        2 設(shè)計載荷條件

        機艙罩在工作過程中,除需承擔自身重量外,還要抵抗外部環(huán)境載荷的作用以及運行維護等活動載荷的作用。其中,作用在矩形截面上的風載,各側(cè)面的載荷情況可按圖 1進行簡化。

        圖1 風載簡化示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind load

        機艙罩的設(shè)計載荷條件參照GL規(guī)范要求進行設(shè)置,包括恒載與活載的組合、恒載與風載的組合。設(shè)計載荷工況如表 1。

        表1 機艙罩設(shè)計載荷組合Tab.1 Calculated load combinations of nacelle

        3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

        采用有限元方法對機艙罩進行穩(wěn)定性分析,各設(shè)計工況下機艙罩的主體屈曲模態(tài)及屈曲因子如圖2所示。

        設(shè)計工況下,機艙罩的主體屈曲因子均大于 2.04,具有較大的安全裕度,滿足風機規(guī)范對穩(wěn)定性的要求。在極限風載作用下,機艙罩受風面出現(xiàn)因受壓導致的褶皺失穩(wěn);在極限活載作用下,機艙罩頂部出現(xiàn)受壓失穩(wěn)。失穩(wěn)區(qū)域均發(fā)生在加強筋之間的薄璧區(qū)域,該結(jié)果與薄璧屈曲理論相吻合,說明分析結(jié)果是可靠的。

        圖2 機艙罩穩(wěn)定性分析云圖Fig.2 Cloud pictures of nacelle stability analysis

        4 結(jié) 論

        本文利用有限元方法,建立兆瓦級機艙罩的穩(wěn)定性分析模型,并根據(jù)風機設(shè)計規(guī)范建立穩(wěn)定性分析載荷工況,通過對機艙罩進行穩(wěn)定性分析,得到以下結(jié)論:

        ①在設(shè)計工況下,機艙罩的主體屈曲因子滿足規(guī)范的要求,機艙罩在設(shè)計載荷作用下不會發(fā)生失穩(wěn)破壞;

        ②在壓力載荷作用下,機艙罩的失穩(wěn)區(qū)域主要發(fā)生在加強筋之間的薄璧殼體區(qū)域,優(yōu)化這些區(qū)域的剛度可顯著改善機艙罩的主體穩(wěn)定性;

        ③穩(wěn)定性分析可在設(shè)計階段預(yù)測和判斷機艙罩的失穩(wěn)區(qū)域及失穩(wěn)載荷,有助于及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域并進行有針對性的優(yōu)化改進,對提高產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品運行風險具有重要作用?!?/p>

        [1]Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[M].Hamburg:Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH,2010.

        [2]沈真.復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001.

        [3]陳鐵云,沈惠中.結(jié)構(gòu)的屈曲[M].上海:上海科學技術(shù)文獻出版社,1993.

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