摘要：本文以某定制化风机塔筒为研究对象，通过建立实体模型，单元格划分，利用使用有限元软件ANSYS对塔筒进行了模态分析、静强度分析。论文基于理论计算和模型有限元分析，形成有效的互相验证，并参考相关规范和技术标准，对风力机组塔筒进行了多种工况下的静力和屈曲，为风电行业塔筒的设计以及满足风电行业发展趋势而产生的的优化要求，提供了有益的参考。
关键词：新能源 风电机组 塔筒 有限元 静强度
1.绪论
随着社会经济的不断发展，人类对能源的需求在不断提高。伴随着传统化石能源的日益枯竭，各种新兴能源的开发与利用得到了人们越来越多的重视，风力发电作为一种纯净和可循环利用的新能源产业在世界范围内也得到了长足的发展。作为风力发电产业的主要设备之一的风力发电机组，其主要部件的设计和分析已经成为风力发电机组的研发设计和批量生产的关键技术之一。
图1.1 风力发电机主要部件示意图
1.1.塔筒技术指标
1.1.1.塔筒主要功能
塔筒是风电机组的主要承载部件，塔筒的主要功能是支撑风机的机械部件（叶轮，轮毂、机舱），承受叶轮的作用力和风作用在塔筒上的力（包括弯矩、推力、扭矩）；同时塔筒底部与混凝土基础相连接，将风机重量和本身自重以及各种荷载传递给基础[1]。
1.1.2.塔筒结构
钢制的风电机组塔架目前主要有桁架式和圆筒式。目前大型风电机组塔架多采用圆筒式，采用双定尺热轧钢板卷制焊接而成[2]，各段之间通过法兰由螺栓连接。为了保证获得足够的切入风速和稳定的平均风速，大型风力机塔筒高度一般都在数十米以上，并且多为细长的圆锥状结构。圆锥状结构既可以很好的保证整机的动力稳定性，也方便塔筒的加工生产和安装。
2.塔筒稳定性分析
2.1.塔筒模型建立
塔筒模态分析的主要目的是确定结构的频率和振型，模态分析是结构动力学分析的基本内容之一。当物体在某一频率下振动时，就有与之对应的振型，如果知道了塔筒在某一范围内的各阶固有频率和振型，就可以推断塔筒在外界振源的激励下是否发生共振，如果发生共振，则需要对塔筒进行改进，避开振源的激励频率。
模型采用的单元形式和材料常数设置如表2.1
图2.1 模态分析模型
表2.1 塔筒模型中使用的单元形式和材料常数
2.2.模态计算结果
论文所研究风力发电机组的风轮采用三叶片式，共振的主要激励源是lP和3P频率。塔筒的固有频率必须在一定范围内避开这个值，根据我国国家标准规定，塔筒工作状态下的固有频率必须在大于叶轮转动频率的 10% 和小于叶片通过频率（叶片通过频率就是三倍的叶轮转动频率）的 10% 范围内[3]。计算结果如表2.2 所示：
表2.2 塔筒模态计算前两阶固有频率
论文研究塔筒所匹配的风力发电机组采用的双馈发电机转速范围为1100～1800 ，叶轮转速范围为10～18.15 （齿轮箱曾速度比为1:110），所以发电机转动频率为18.3～30 Hz，叶片转动1P频率为0.1667～0.3025 Hz，3P频率为0.5～0.9075 Hz。计算得到的塔筒固有频率均满足避开3P频率±10%的要求，所以该塔筒结构模态是合理的，塔筒与风轮不会发生共振。
3.塔筒强度分析
3.1.整体强度分析
3.1.1.模型描述
整体强度分析采用的模型为：塔筒筒体按结构尺寸建模并考虑焊缝。上段筒体顶端截面中心处加一个坐标为（0，0，66.15）的无质量点（塔筒净高66.15米），用无质量梁连接到塔筒顶端外圈节点上，在下段筒体上对门框和门洞进行建模，门框和塔筒壁的关系为接触关系，沿塔筒壁厚方向划分两层六面体网格单元。整体模型如图3.1所示。
模型采用的单元形式和材料常数设置如表3.1
表3.1 模型中使用的单元形式和材料常数
图3.1 整体静强度分析模型
3.1.2.静强度计算结果
计算得到的最大等效应力为248MPa，出现在塔筒门框与筒体连接的边缘部位，最大位移出现在塔筒上段最顶部，为0.94 m。
筒体安全余度MSult计算：
通过截面惯性矩的计算，临界压力 的计算，惯性半径的计算，可得到不同截面高度的柔度值：
表3.3塔筒柔度比较
有限元软件输出的结果如下：
SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE
1 0.30585E+08 1 1 1
所加载荷是单位载荷，所以计算得到的一阶屈曲特征值就是屈曲临界载荷，即 =30585 kN，可以看出有限元计算的结果在理论计算的范围内，说明计算结果是可信的。
4.结论
本文基于定制化结构设计，建立其三维实体模型，然后利用ANSYS软件对其进行强度校核、模态分析、稳定性，验证设计的可靠性，为风力机塔筒的制造和运行提供了可靠地依据。但是本文有许多不足和未展开的地方，对塔筒的模态分析采用梁单元，在一定程度上能节省建模和分析时间，但是这种模型的计算精确性不如采用壳单元高，且模型中将实际工程中必须安装的塔筒平台、焊接固定住、梯子等内部附件进行了省略，造成了有限元分析结果和实际理论值有一定的偏差。
随着国内风力发电产业的高速发展，许多平均风速好、极限破坏风速低的优质风资源被开发殆尽，更大功率风力发电机组的上马已经成为一种必然的趋势，这就要求与之配套的塔筒变得越来越高、越来越重，塔筒的设计要求也越来越高，在满足设计要求的同时对经济型的考虑也是关注的重点，业主对塔筒的整体重量和分段重量的比例以及制造成本、运输难易程度等已经变成评标的一项非常重要指标，这就要求对塔筒的设计应有一个全面平衡的通盘考虑。
参考文献
[1]任洪鹏.预应力钢筋混凝土风力发电塔架的静力及地震响应分[D]，天津：天津大学，2009：5.
[2]中国国家标准委员会.GB/T709-2006 热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差，2006：43.
[3]中国国家标准委员会. GB/T 19072-2010 风力发电机组塔架，2010：22.
[4]蔡怀崇，闵行.材料力学.西安：西安交通大学出版社，2010：189.
论文作者:彭远章
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/15
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