摘要：近年来,风力发电高塔系统在强风作用下倒塌毁坏的事故时有发生,建立正确的风力发电高塔系统风致动力响应分析方法,以此为风力发电高塔系统结构设计提供依据和支持,是一个十分重要的研究课题。
关键词：风力发电高塔；有限元；复合壳单元；嵌入单元
1有限元建模与数值分析
采用复合壳单元和三维实体元对钢筋混凝土风力发电高塔进行有限元建模并应用商用软件ABAQUS对其进行数值分析。在材料本构关系的选取中，钢筋采用理想弹塑性模型，混凝土采用ABAQUS自带的混凝土损伤模型，该模型结合各向同性的弹性损伤概念和各向同性的拉、压塑性来反映混凝土的非弹性行为。在确定混凝土材料的模型参数时，使用C30混凝土材料性质的均值。
1.1复合壳单元
复合壳单元能够用来模拟由多层材料所组成的结构，定义该种单元时需要给出每层材料的性质和厚度。用该方式模拟混凝土风力发电高塔，可将塔身沿壁厚方向离散为5层，即内外混凝土保护层、内外纵向受力钢筋层和两层钢筋之间的混凝土。混凝土层的厚度为结构中的该层所对应的壁厚，结构中离散的钢筋按照面积等效的原则弥散成厚度不变的钢筋层，层与层之间按照实际结构的顺序排列见图1。
在应用复合壳单元建模时，将塔身分成4段，每段根据塔身的实际配筋情况赋以具有不同厚度的钢筋层。塔顶在竖向荷载1216.4 k N的作用下，通过位移加载的方式对塔顶施加水平位移,计算采用自动步长，采用双核心CPU，2.0GB内存，计算时间为360 s，荷载位移关系如图2所示。
从图2中可以看出，该风力发电高塔在塔顶水平荷载达到230 k N时，整体刚度有明显的变化，说明此处对应塔身的开裂荷载。当塔顶水平荷载达到538 k N时，结构达到其极限承载力，相对应的位移为1.364 m。图3为塔身洞口上部角点处混凝土应力与塔顶位移关系。
1.2三维实体单元
复合壳单元将钢筋按面积等效成钢筋层来模拟其在混凝土中的表现，虽然提高了计算效率，但是一种比较粗糙的建模方式。而在ABAQUS中可以通过使用实体单元结合嵌入单元（embedded element）的方式模拟钢筋混凝土结构。嵌入单元能够将一组单元嵌入到主单元（host element）中，通过嵌入结点约束这些嵌入单元的平动自由度，可以用来模拟混凝土中的钢筋。使用实体单元模拟混凝土，并将其作为主单元；使用桁架单元（truss element）模拟钢筋，将其作为嵌入单元嵌入到混凝土中。
在ABAQUS中通过这种建模方式（图4），可以将钢筋和混凝土的受力状态分别输出。使用该种建模方式，首先将混凝土风力发电高塔中的钢筋按照实际的横截面积和空间位置建立模型，塔身配筋共分4段，每段又包括内外两层纵向受力钢筋，然后将这些钢筋作为嵌入单元嵌入到混凝土中，图5为塔底洞口处外层纵向钢筋在ABAQUS中的模型。
由于洞口的存在，在划分网格时，需要将洞口处的网格加密，洞口处网格划分如图6所示。塔顶在竖向荷载1 216.4 k N的作用下，通过位移加载的方式对塔顶施加水平位移，单元数目为19 611个，采用双核CPU，2.0GB内存，计算时间为5 391s。洞口角点处混凝土应力与塔顶位移关系如图7所示。应用实体单元结合嵌入单元建模的最大优势就是可以单独输出混凝土中钢筋的应力状态。塔底洞口处外层纵向钢筋应力与塔顶位移关系如图8所示。
从图9中可以看出，该风力发电高塔在塔顶水平荷载达到230 k N时，整体刚度有明显的变化，说明此处对应塔身的开裂荷载。当塔顶水平荷载达到540 k N，结构达到其极限承载力，相对应的位移为1.195 m。
2模型比较
通过ABAQUS中复合壳单元和实体单元结合嵌入单元两种建模方式对同一个钢筋混凝土风力发电高塔进行了数值分析，两种模型的分析结果对比如下：a．图10为两种建模方式塔身洞口处同一点混凝土应力与塔顶位移关系的比较；b．图11为荷载位移曲线的比较。从荷载位移曲线的比较可知，在塔体开裂前，两种模型的受力行为比较一致，开裂荷载也基本相同；在塔体开裂后，两者的受力行为略有差异，复合壳单元塔体的刚度略小；两者的极限荷载相同，但复合壳单元的极限荷载所对应的位移较大。
结束语：
本文结合钢筋混凝土风力发电高塔的工程实例，应用有限元技术，在ABAQUS中运用复合壳单元和实体单元结合嵌入单元的建模方式进行了数值模拟。通过对比可知，应用复合壳单元建模，计算代价较低，但无法反应混凝土中钢筋的应力状态；实体单元能够弥补这一不足，需要较高的计算成本。两种模型的宏观受力性能则基本相同，从侧面验证了这两种建模方式的合理性。
参考文献：
[1]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社,1997.
[2]IEC 61400-1,International Electrotechnical Committee Wind Turbines Part 1:Design Requirements[S].
[3]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.
论文作者:李景龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/1
标签：单元论文; 混凝土论文; 荷载论文; 钢筋论文; 位移论文; 塔顶论文; 建模论文; 《基层建设》2019年第9期论文;