基于ANSYS Workbench的大型风电机组塔架模态分析*

2013-04-29张晓峰王建东刘赟

风能 2013年10期

张晓峰，王建东，刘赟

（1. 河西学院物理与机电工程学院，甘肃张掖 734000；2. 甘肃电力公司风电技术中心，甘肃兰州 730000）

0 引言

大型风电机组塔架顶端安装有较大质量的机舱和旋转的风轮，塔架受到它们的载荷和叶片旋转产生的动载荷。此外，在自然风的作用下，风速、风向和风压会对塔架产生动载荷。由于它们的共同作用，会引起塔架的变形和振动，这种振动不但引起塔架的附加应力，影响结构强度，而且还会影响塔架顶端叶轮的变形和振动。同时，塔架的振动有可能与叶轮旋转产生共振，从而影响风电机组性能。本文对酒泉风电基地瓜州风电场某大型风电机组进行模态分析，分析结构动力固有特性，确定结构的固有频率和固有振型，以了解其动态特性，从而判断塔架固有频率是否会与叶轮旋转频率重合，产生共振。

1 分析条件

1.1 模型简化原则

（1）整体模型中建立法兰，但不考虑两法兰之间的接触影响使之成为一体；

（2）不考虑法兰上的螺栓、塔架内部的附属结构等构件。塔架内部爬梯质量小，对塔架有限元分析不会产生影响，可省略处理；

（3）在变厚度的塔壁处, 使塔架壁呈现1：4的渐变,不考虑焊接的诸如焊缝缺陷、残余应力；

（4）塔顶质量模拟。考虑机舱、轮毂和叶片质量及转动惯量对塔架模态的影响，在塔架顶端加载偏心Point mass质量单元；

（5）塔底质量模拟。在塔架底部基础混凝土的重心位置创建一个质量单元，其质量大小与基础混凝土质量相同；

（6）塔架基础钢筋质量忽略。

1.2 分析条件

（1）塔架底部有门洞或无门洞；

（2）塔架顶端加载偏心Point mass模拟风轮和机架，与塔顶法兰自动相连；塔架底部固定连接，即没有基础部分[1]；

（3）塔架顶部模拟方法同前，塔架底部用Point mass质量单元模拟混凝土基础，用无质量刚性梁与混凝土连接[2]。

1.3 技术参数

某型1.5MW风电机组塔架为锥筒式，高度为57.65m，塔底外径4m，塔顶外径2.955m。塔架分为3段，通过法兰连接，塔架各段尺寸如表1所列[3]。叶轮与机舱总质量为91000kg，塔架质量为90400kg，塔架基础质量为780600kg；叶轮及机舱质量中心距塔架中轴线的距离为0.4m，地基质量中心距塔底中心的距离为0.8376m。风轮额定转速为18rpm[4]。

表1 塔架各段尺寸

摄影：张晓龙

塔架所用材料为Q345E钢，屈服强度σs=345MPa，弹性模量E=2.1GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7850kg/m3。塔架基础所用材料为混凝土C40，弹性模量E=32.5GPa，泊松比ν=0.2，密度ρ=2500kg/m3。

2 分析流程

2.1 创建模态分析项目

启动Ansys Workbench，进入项目管理区，双击左侧Toolbox中的Analysis Systems→Modal选项，建立Modal分析项目。

2.2 添加材料信息

双击Static Struc-tural中Engineering Data选项，在Engineering Data窗口中，新建材料Q345E，添加弹性模量和泊松比，然后回到Project窗口。在Project界面中双击Model进入分析界面，更改模型材料。

2.3 导入几何模型

在Pro/engineer5.0中建立塔架整体三维模型，点击嵌入其中的Ansys14.5→Ansys Workbench 选项，直接将模型导入Modal分析树Geometry中。

2.4 加载塔顶质量单元

Modal Mechanical环境下在Outline的目录树中，选中Geometry，右击选择Insert→Point mass，在Graphics中选中塔顶法兰表面。在Details of “Point mass”中输入质心坐标（0，57650，－400）和质量91000Kg。

2.5 加载塔底混凝土基础质量单元

分析条件2下，在Outline的目录树中，选中Geometry，右击选择Insert→Point mass，在Graphics中选中塔底法兰表面，在Details of “Point mass2”中输入质心坐标（0，－0.8376，0）和质量780600Kg。加载有质量单元的塔架三维模型如图1所示。

图1 加载质量单元有门洞塔架的三维实体模型

2.6 网格划分

选择Mesh，右击选择网格尺寸选项Sizing，在Sizing的属性菜单中，设定网格尺寸为100mm，由于计算机资源所限，网格尺寸小于100mm时，运算时间会很长；选择Outline窗口中Project→Model→Mesh，右击选择Generate Mesh，对塔架进行网格划分。总共得到768536个节点，386716个单元，塔架网格模型如图2所示。

图2 塔架网格模型

表2 塔架模态分析各阶频率及振型

表3 前10阶固有频率与风轮工作频率的相对差

2.7 建立自动连接

右击Model→选择Insert→Connections选项，自动建立起塔顶质量单元与塔顶的连接关系。

2.8 施加固定约束

分析条件2下，右击Analysis Settings，选择Insert→FiexedSuppert选项，选Details of“FiexedSuppert”→Geometry，选择塔架底面为固定端，建立约束。

2.9 建立刚性梁连接

分析条件3下，右击Connections→选择Insert→beam选项，在Details of “Circular…”中，设置Material为混凝土concrete，Radius为2m，Scope为Body－Ground，参考坐标等。塔架底部与混凝土基础质量单元的刚性梁连接如图3所示。

2.10 设置求解项

右击Solution，选择Deformation→Total选项；单击F2快捷键，更名为Total Deformation－Mode 1；采用同样方法，添加2～6阶模态求解项。

2.11 求解

右击Solution，选择Solve选项，弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自行消失。

2.12 显示结果

求解结束将得到Graph图形和Tabular Data表，给出对应模态频率条形和频率表。选择Solution/TotalDeformationMode 1～6，可显示各阶振型；选择Report Preview，可显示完整的项目分析报告。

图3 刚性梁连接

图4 1、2阶振型

图5 3、4阶振型

3 分析结果

塔架模态分析各阶频率如表2所列。

塔架模态分析各阶振型如图4至图6所示。

4 分析讨论

塔架固定端约束前6阶固有频率与风轮工作频率的相对差如表3所列[5]。

图7为塔架1－10阶固有频率柱形图，由图可看出：四种情况下的1、2阶固有频率相差不大，3－9阶无门洞塔架底部固定连接时固有频率较有门洞时小，但根据振动理论,塔架振动过程中的能量主要集中于1、2阶频率处，则可认为门洞对塔架固有频率的影响很小，可以忽略；塔架底部固定连接时，无门洞塔架3－9阶固有频率较有门洞塔架小，而且较考虑塔架混凝土基础时的频率也小[5]。