陳志軍

風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)模態(tài)分析作為研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，在工程振動(dòng)、故障診斷問(wèn)題的分析和解決過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)模態(tài)分析可以掌握結(jié)構(gòu)在人們關(guān)心頻率范圍內(nèi)的主要振動(dòng)特性，進(jìn)而預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在各種激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)。氣象站是每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組必須安裝的標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備，是風(fēng)電機(jī)組的“眼睛”，其重要性不言而喻。軸流風(fēng)機(jī)是將外界的冷空氣強(qiáng)制導(dǎo)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，給發(fā)電機(jī)散熱的關(guān)鍵設(shè)備。由于設(shè)備安裝空間所限，氣象站支架安裝固定在軸流風(fēng)機(jī)平臺(tái)支架上。因此，軸流風(fēng)機(jī)的每次開啟必然會(huì)引起振動(dòng)而成為振動(dòng)激勵(lì)源，加之設(shè)備制造初期未對(duì)軸流風(fēng)機(jī)采取有效的隔振措施，強(qiáng)烈的振動(dòng)通過(guò)設(shè)備支架傳導(dǎo)至氣象站支架，發(fā)生彎曲扭轉(zhuǎn)共振的可能性大大增加。

本文對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)某品牌風(fēng)向標(biāo)在安裝運(yùn)行僅四個(gè)月內(nèi)批量折斷問(wèn)題進(jìn)行原因分析。通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙頂部平臺(tái)和安裝在該平臺(tái)上的氣象站所有設(shè)備參數(shù)的分析，對(duì)其在約束條件下的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明風(fēng)向標(biāo)的固有頻率與軸流風(fēng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)源的頻率極為接近，從而引發(fā)風(fēng)向標(biāo)共振，同時(shí)也驗(yàn)證了有限元模型的可靠性，在此基礎(chǔ)上分析發(fā)生折斷的原因并提出解決問(wèn)題的建議。模態(tài)分析理論及數(shù)學(xué)模型

風(fēng)向標(biāo)的模態(tài)分析是建立在模態(tài)分析理論及其數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算機(jī)或試驗(yàn)分析取得，計(jì)算或試驗(yàn)分析的過(guò)程稱為模態(tài)分析。

振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。如果通過(guò)模態(tài)分析的方法得出結(jié)構(gòu)物體在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階的主要模態(tài)特性，就能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻率內(nèi)實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

一、動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程

（1）假定材料為線性材料;（2）忽略非線性行為和特征;（3）采用小撓度理論：（4）振型Фi只是相對(duì)值而非絕對(duì)值。風(fēng)向標(biāo)情況概述

本文分析對(duì)象為位于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙平臺(tái)上的氣象站內(nèi)的風(fēng)向標(biāo)。其外形尺寸如圖1所示。風(fēng)向標(biāo)由2個(gè)零件（注塑成一體的風(fēng)向標(biāo)尾翼和金屬制成的指向標(biāo)頭）連接而成。風(fēng)向標(biāo)安裝在氣象站支架上，氣象站支架與機(jī)艙頂部平臺(tái)剛性連接，軸流風(fēng)機(jī)固定在機(jī)艙頂部平臺(tái)安裝座上。

風(fēng)向標(biāo)振動(dòng)模態(tài)分析

ABAQUS軟件是國(guó)際上通用的大型有限元分析軟件之一，適用于復(fù)雜工程問(wèn)題和非線性問(wèn)題的求解。軟件采用CAD建模和可視化視窗系統(tǒng)。人機(jī)界面良好，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、冶金、土木、水利、材料、航空等各個(gè)領(lǐng)域。本文以某風(fēng)電機(jī)組氣象站的風(fēng)向標(biāo)為研究對(duì)象，利用ABAQUS軟件的C3D4線性四面體單元?jiǎng)澐謽?gòu)建風(fēng)向標(biāo)三維有限元模型，并進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析。

一、幾何模型的建立

著眼于工程實(shí)際應(yīng)用，本文將風(fēng)向標(biāo)三維實(shí)體模型（如圖2）的stp格式文件導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得風(fēng)向標(biāo)的有限元模型（如圖3）。

二、材料屬性和單元設(shè)置

采用C3D4四面體單元，單元尺寸為0.1mm;采用振型疊加法。分析類型選擇攝動(dòng)分析步（1inear perturbation），采用Lanczos求解器，并設(shè)定特征值階數(shù)為12。

三、邊界條件和網(wǎng)格劃分

如圖4所示，利用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元形狀為四面體;幾何階次為線性：?jiǎn)卧愋蜑镃3D4：?jiǎn)卧獢?shù)量為：239418個(gè)（尾翼189386個(gè)+指向頭50032個(gè)）;約束位置如圖4所示，對(duì)連接面約束除了繞z軸旋轉(zhuǎn)自由度以外的所有自由度。

基于ABAQUS的風(fēng)向標(biāo)振動(dòng)模態(tài)分析仿真

根據(jù)上述方法分析計(jì)算，可得到基于ABAQUS的風(fēng)向標(biāo)振動(dòng)模態(tài)分析的前12階振型仿真結(jié)果（如圖5），以及模態(tài)振型（如圖6）。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行機(jī)艙平臺(tái)的實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)

用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)4臺(tái)風(fēng)向標(biāo)發(fā)生損壞風(fēng)電機(jī)組（3#、102#、13#、138#）的機(jī)艙頂部平臺(tái)振動(dòng)做了實(shí)際測(cè)量，數(shù)據(jù)如圖7-圖10所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

分析圖表可知：

（1）機(jī)組未運(yùn)行時(shí)，基本捕捉不到50Hz的振動(dòng)頻率。

（2）軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，3#、102#、136#、138#四臺(tái)機(jī)組的振幅依次增大，四臺(tái)機(jī)組的風(fēng)向標(biāo)損壞支數(shù)也依次增加，振動(dòng)頻率為50Hz。

從數(shù)量級(jí)上分析，損壞機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)是未損壞機(jī)組的5～10倍。

結(jié)語(yǔ)

本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS對(duì)頻繁發(fā)生折斷的風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)仿真計(jì)算，得出如下結(jié)論：

（1）風(fēng)向標(biāo)的2階和3階固有頻率與軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行振動(dòng)頻率非常接近，極易引起低階共振，且2階和3階振型表現(xiàn)為彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合模態(tài)，是導(dǎo)致風(fēng)向標(biāo)發(fā)生折斷的主要原因。諧響應(yīng)分析表明，風(fēng)向標(biāo)應(yīng)力集中區(qū)域與風(fēng)向標(biāo)斷裂位置一致。建議通過(guò)選用不同運(yùn)行頻率的軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)等措施調(diào)整軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，有效地避免低階共振。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)證實(shí)了軸流風(fēng)機(jī)為50Hz頻率的振動(dòng)激勵(lì)源，是直接導(dǎo)致風(fēng)向標(biāo)發(fā)生共振的根源，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元分析模型的可靠性，為今后查找振動(dòng)失效問(wèn)題的原因提供了有效的分析方法和理論依據(jù)。