基于ANSYS Workbench的大型风力发电机组塔架静态分析

河西学院新能源研究所 张晓峰 张静 姚金山

一 引言

塔架是风力发电机组重要的承载部件，它除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动荷载，其设计水平将直接影响风力发电机组的性能。据统计，在风力发电机组受损的诸多因素中，塔架占18%，为各项破坏因素之首，这说明目前塔架的设计还存在许多问题[1]。本文以酒泉风电基地瓜州风电场运行的某大型1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)为研究对象，应用有限元分析软件ANSYS Workbench进行塔架静态强度与刚度分析，以提高塔架的设计使用水平。

二 力学模型与技术参数

1 模型简化原则

(1)大型风力发电机组通常采用锥筒型高耸塔架，根据其几何特征和受力特点可将其简化成集弯曲变形、轴向压缩变形及扭转变形为一体的复杂梁柱问题来处理。

(2)机舱、轮毂和叶片的重量作为集中力加载在塔架顶端，同时考虑集中力偏离塔架中心引起的弯矩。

(3)将坐标原点设在塔筒底部中心位置。塔架底部固定，即约束所有自由度。

(4)采用荷载等效原则，将作用在塔架结构上的风荷载进行静力等效，也就是将塔架上的面荷载等效为节点集中荷载。

2 力学模型

塔架力学模型如图1所示。根据水平轴风力机基本原理，塔架在运行的过程中，其承受的主要荷载有:Fx、Fy、Fz及 Mx、My、Mz分别为风轮和机舱作用在塔筒顶部沿三个方向的合力(kN)及合力矩(kN·m)，ω(z)为作用在塔壁上的风荷载标准值(kN/m2)。

图1 锥筒型风力机塔架的力学模型

3 技术参数

酒泉风电基地瓜州风电场某大型1.5MW风力发电机组塔架高57.65m，塔底外径4m，塔顶外径2.955m，变截面锥筒型。最大壁厚20mm，最小壁厚10mm。塔架整体由3段组成，长度分别为13.00m、19.25m 和25.40m，底座1m，塔筒间用法兰盘联接而成，如图2所示。

图2 塔架几何尺寸

叶轮与机舱总重为(61+34)kg；叶轮及机舱的中心距塔顶高1.755m；叶轮及机舱质量中心距塔架中轴线的距离为0.4m。塔架所用材料为Q345E钢，屈服强度σs=345MPa，弹性模量E=210GPa，泊松比v=0.3，密度ρ=7850kg/m3。风电机组的切入风速为3m/s，额定风速为12.5m/s，切出风速为20m/s，50年一遇风速为51.6m/s，分别视为工况1～4，推力系数分别为1.1、0.385、0.09、1.6。瓜州地区空气密度为1.05kg/m3[2]。

4 荷载计算

由文献[3]～[5]所述方法求得塔架顶端沿水平方向的轴向推力Fx、沿塔架高度方向的集中压力Fy、推力在塔架顶端和集中压力的偏心产生的合弯矩Mx和作用于塔身的风荷载P1～P5值见表1。

三 ANSYS Workbench分析步骤[6]

1 建立几何模型

(1)在ANSYS Workbench自带的几何建模模块Design Modeler中根据设计图纸直接建立几何模型。

表1 塔顶和塔身载荷计算值

(2)本文模型是在CAD/CAM软件Pro/Engineer中建立塔架几何模型，再利用ANSYS Workbench支持的导入接口将模型文件读入到ANSYS Workbench环境中。

2 选择Static Structural分析模块

启动AWE，然后双击添加Static Structural分析模块。

3 导入几何模型

(1)选择Geometry→Import Geometry→Browse命令。

(2)在弹出菜单中，选中塔架几何模型文件，并打开。

4 添加材料信息

(1)双击 Static Structural 中 Engineering Data图标，在该窗口中，新建材料“Q345E”，添加弹性模量和泊松比，然后返回Project窗口。

(2)在Project界面中双击“Model”进入分析界面，更改模型材料。

5 设定接触选项

因为塔架三部分已在Pro/e中合并为一个零件，在此无需设置。

6 设定网格划分参数并进行网格划分

(1)选择Mesh，右击，激活网格尺寸命令Sizing。塔架网格划分，由于塔架的三个方向尺度相差太大，受制于计算机的内存，采用自动划分网格方式划分网格。

(2)在Sizing的属性菜单中，选中整个塔架实体，并指定网格尺寸为100mm。此时，节点为727178，单元为365471，自动划分的网格见图3。

图3 自动划分的网格模型

7 施加荷载以及约束

(1)施加固定端约束

由于风力发电机塔架与基础固接，在进行静力分析时对塔底施加全约束。选择塔底法兰表面，选择Supports→Fixed Support (固定支座)。

(2)施加塔顶集中荷载

塔顶集中荷载作用于塔顶中心点，通过塔顶法兰表面传递到整个塔身。选择Loads→Remote Force，选择塔顶法兰表面为参考受力面，并指定受力点的坐标值为(0, 57650, 0)，荷载为Components，方向为y轴负方向，大小为表1所列Fx与Fy计算值。

(3)施加塔顶弯矩

选择Loads→Moment，选择塔顶法兰表面为参考受力面，荷载为Components，方向为x轴逆时针转向，大小为表1所列Mx计算值。

(4)施加风的压力

①风荷载如表1所示已简化为作用与不同迎风面上的集中荷载P1～P5。选择Loads→Force，荷载为Components，方向为z轴正方向，大小为表1所列P1～P5计算值。

②在塔架上施加的所有荷载与约束如图4的A～H。

8 设定求解结果参数

(1)选择Solution→Insert→Deformation→Total，添加变形分析。

(2)选择Solution→Insert→Strain→Equivalent(Von-Mises)，添加等效应变分析。

图4 载荷与约束定义

(3)选择Solution→Insert→Stress→Equivalent(Von-Mises)，添加等效应力分析。

9 求解

单击Solve求解。

四 分析结果

塔顶中心点位移及塔架最大应力、最小应力及位置计算结果见表2。

表2 分析结果

五 强度与刚度校核

1 强度校核

式中:σmax为实际计算出的最大应力，MPa；[σ]为许用应力，MPa；σ为材料的屈服极限，MPa；n为安全系数，此处取1.1。

有门洞，极限风速下的最大应力为211.19MPa，发生在塔架背风侧门框下边沿400mm处(图5)。材料的屈服极限为345MPa，其许用应力为:

σmax＜[σ]，满足强度要求。

需要说明的是:这里的极限风速51.6m/s是按照风电机组50年一遇风速计算的，而瓜州地区50年一遇风速是48.9m/s[2]，所以塔架静态强度有较大储备。

图5 塔架门洞附近最大等效应力图

2 刚度校核

图6为无门洞额定风速等效变形云图，从图6可以得到塔顶中心最大的位移。刚度校核是根据塔顶最大位移进行检验，判断是否超过其控制值。风力发电机塔架作为一种特殊的高耸钢结构形式，其许用的塔顶位移条件目前在国内尚无统一的标准和规范。根据经验，要确保风力发电机内部设备的性能要求，将高塔架H 的顶部许用位移控制在塔架总高度的 0.5%～0.8%的范围[8]，即:

式中:[ f ]为塔架许用位移，m；H为塔架高度，此处取58.65m。顶部许用位移应小于0.288～0.461m。

本文塔架的有限元分析中，考虑门洞时，塔顶最大位移为0.497m，不满足塔顶位移要求。但此处荷载的计算有误差，极限风速取得较实际值大，实际上刚度能够满足要求，但没有储备。

六 结语

(1)被分析的1.5MW风力发电机组塔架(锥筒式)在50 年一遇风速时，产生的位移和应力最大，其中塔顶最大位移为0.497m，最大应力为211.19MPa。

(2)该塔架在50 年一遇风速时强度满足要求，有较大的储备；刚度基本满足要求，没有储备。

(3)无门洞和有门洞塔架的最大应力位置不同，有门洞塔架在所有工况下，背风侧门框下边沿和上边沿应力均较大，容易发生破坏(图5)。

图6 无门洞额定风速下等效变形云图

(4)门洞对塔架底部应力有一定影响，对顶部位移的影响很小，可以忽略。

[1]朱仁胜,刘永梅,蒋东翔，等. 基于MW 级风力发电机塔架的有限元分析[J]. 机械设计与制造，2011, (5): 104－106.

[2]甘肃瓜州桥湾第一风电场200MW工程可行性研究报告[R].西安，2008.

[3]戴建鑫.风力机塔架的有限元建模与静动态特性的分析[D]. 兰州理工大学，2011: 12－14.

[4]赵文涛,曹平周,陈建锋. 风力发电钢塔筒的荷载计算方法和荷载组合研究[J]. 特种结构, 2010, (4):73－76.

[5]GB50009－2001, 建筑结构载荷规范[S].

[6]李兵,何正嘉,陈雪峰. ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M]. 北京:清华大学出版社，2011:33－41.