风力发电机塔筒柔性连接结构优化分析

关媛媛　邢艳　刘大江

摘 要 文章探讨风力发电机塔筒柔性连接结构特点。对塔筒刚性连接结构和柔性连接结构进行受力分析，对比分析数据，分析柔性连接的特点。结果表明，在基础条件相同的情况下，柔性连接能减少焊接工序，降低由于焊接产生的焊接残余热应力，便于运输，同时提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性。因此采用Solidworks三维软件对塔筒刚性连接结构和柔性连接结构进行受力分析是可行的，结果与工程实际一致，提出的意见可用于指导工程实践。

关键词 塔筒；柔性结构；三维软件；受力分析

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0142-02

传统风力发电机塔筒一般分为3-6段，高45 m-100 m。每段长20 m-25 m，每段之间的钢板滚制后通过焊接连接而成。风力发电机塔筒在工作过程中受到风向不断变化，机组受风影响会发生摆动，塔筒的受力点在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口门，所以此段为塔筒的薄弱区域。因此为了确保风力发电机的正常运行，提高塔筒自身的可靠性，在设计塔筒结构时，必须充分考虑塔筒的强度和刚度，结构分析是一项重要的工作。

传统风力发电机塔筒最下一段与上一段由焊接完成的连接，由于焊接结构截面变化大，过渡区域较陡，圆角较小处容易引起较大的应力集中，同时焊接过程避免不了的存在焊接参与热应力，而且焊接过程产生的焊缝，热影响区等的显微组织与板材的基体组织有着显著差异，造成强度不够，此区域在塔筒摇摆工作过程中长时间受到拉伸与压缩交变在和的作用[3]。残余压力会降低塔筒结构的强度，交变载荷会造成塔筒结构发生疲劳，最终会造成塔筒失效，同时如果风速急剧增大，会对底端产生冲击载荷，焊缝的组织属于铸态组织结构，如果在焊接后热处理不当会造成冲击韧性性能不达标而使塔筒断裂。

为解决上述技术问题，设计风力发电机柔性连接结构，目的是减少焊接工序，降低由于焊接产生的焊接残余热应力，便于运输，同时提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性。现以2.5 MW风力发电机塔筒为例，应用三维分析软件对刚性和柔性两种结构进行受力分析，比较分析结果。

1 柔性连接结构特点

风力发电机塔筒柔性连接结构，见图1。在最下端塔筒（序号1）与上一段塔筒（序号2）连接处的两侧设置外连接盘（序号3）和内连接盘（序号4），外连接盘和内连接盘与最下端塔筒通过螺栓连接，外连接盘和内连接盘与上一段塔筒通过螺栓连接，最下段塔筒与上一段塔筒之间设有减振垫（序号5），在塔筒工作过程中产生的交变载荷可以通过塔筒的摇摆，在减振垫上消除这些载荷，同时此种连接方式可有效消除风速突变塔筒摇摆产生的冲击力，减轻对门框的压力。

2 加载和求解

为了说明柔性连接的优点，建立两种模型，一种是塔筒之间焊接，一种是塔筒之间柔性连接，见图2，分别施加相同的约束和载荷，对比分析塔筒的危险受力点和变形最大位置。分别以第六节塔筒为例，仿真分析受力情况。

1）塔筒焊接形式受力变形图（见图3，图4）

图1 柔性连接示意图 图2 柔性连接三维建模图

图3 焊接最大应力示意图

图4 焊接最大位移示意图

2）塔筒柔性连接受力变形图（见图5，图6）

图5 柔性连接最大应力示意图

图6 柔性连接最大位移示意图

3）从以上4图我们可以看出：

焊接形式：最大应力：63.969 Mpa，位置在门框的边缘；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒顶部。

柔性连接：最大应力：75.873 Mpa，位置在门框的边缘；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒顶部。

从以上数据可以看出，焊接形式连接时，最大应力位置在门框的边缘，此处为塔筒的薄弱区域，容易产生应力集中；柔性连接时，最大应力和最大位移位置都在塔筒的上边缘，并且装配时此处增加减振垫，能缓冲各种载荷对塔筒的冲击作用，实现塔筒安全使用。

3 结论

通过塔筒两种连接结构受力分析的对比，柔性连接形式不仅改变了传统的焊接方法，方便运输；同时最大应力位置由原来的塔筒薄弱点改变成塔筒上端，并应用减振垫消除部分应力，提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性，此种连接结构安全可行，可以应用于实际生产。

参考文献

[1]Tony Burton.风能技术[M].北京：科学出版社，2007.

[2]姜香梅.有限单元法在风力发电机组开发中的应用研究[M].新疆农业大学，2002（5）.

[3]李本立，宋宪耕，等.风力机结构动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[4]陆萍，黄珊秋，张俊.风力机塔架塔筒结构静动态特性的有限元分析[J].太阳能学报，1997，18（4）.endprint

摘 要 文章探讨风力发电机塔筒柔性连接结构特点。对塔筒刚性连接结构和柔性连接结构进行受力分析，对比分析数据，分析柔性连接的特点。结果表明，在基础条件相同的情况下，柔性连接能减少焊接工序，降低由于焊接产生的焊接残余热应力，便于运输，同时提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性。因此采用Solidworks三维软件对塔筒刚性连接结构和柔性连接结构进行受力分析是可行的，结果与工程实际一致，提出的意见可用于指导工程实践。

关键词 塔筒；柔性结构；三维软件；受力分析

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0142-02

传统风力发电机塔筒一般分为3-6段，高45 m-100 m。每段长20 m-25 m，每段之间的钢板滚制后通过焊接连接而成。风力发电机塔筒在工作过程中受到风向不断变化，机组受风影响会发生摆动，塔筒的受力点在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口门，所以此段为塔筒的薄弱区域。因此为了确保风力发电机的正常运行，提高塔筒自身的可靠性，在设计塔筒结构时，必须充分考虑塔筒的强度和刚度，结构分析是一项重要的工作。

传统风力发电机塔筒最下一段与上一段由焊接完成的连接，由于焊接结构截面变化大，过渡区域较陡，圆角较小处容易引起较大的应力集中，同时焊接过程避免不了的存在焊接参与热应力，而且焊接过程产生的焊缝，热影响区等的显微组织与板材的基体组织有着显著差异，造成强度不够，此区域在塔筒摇摆工作过程中长时间受到拉伸与压缩交变在和的作用[3]。残余压力会降低塔筒结构的强度，交变载荷会造成塔筒结构发生疲劳，最终会造成塔筒失效，同时如果风速急剧增大，会对底端产生冲击载荷，焊缝的组织属于铸态组织结构，如果在焊接后热处理不当会造成冲击韧性性能不达标而使塔筒断裂。

为解决上述技术问题，设计风力发电机柔性连接结构，目的是减少焊接工序，降低由于焊接产生的焊接残余热应力，便于运输，同时提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性。现以2.5 MW风力发电机塔筒为例，应用三维分析软件对刚性和柔性两种结构进行受力分析，比较分析结果。

1 柔性连接结构特点

风力发电机塔筒柔性连接结构，见图1。在最下端塔筒（序号1）与上一段塔筒（序号2）连接处的两侧设置外连接盘（序号3）和内连接盘（序号4），外连接盘和内连接盘与最下端塔筒通过螺栓连接，外连接盘和内连接盘与上一段塔筒通过螺栓连接，最下段塔筒与上一段塔筒之间设有减振垫（序号5），在塔筒工作过程中产生的交变载荷可以通过塔筒的摇摆，在减振垫上消除这些载荷，同时此种连接方式可有效消除风速突变塔筒摇摆产生的冲击力，减轻对门框的压力。

2 加载和求解

为了说明柔性连接的优点，建立两种模型，一种是塔筒之间焊接，一种是塔筒之间柔性连接，见图2，分别施加相同的约束和载荷，对比分析塔筒的危险受力点和变形最大位置。分别以第六节塔筒为例，仿真分析受力情况。

1）塔筒焊接形式受力变形图（见图3，图4）

图1 柔性连接示意图 图2 柔性连接三维建模图

图3 焊接最大应力示意图

图4 焊接最大位移示意图

2）塔筒柔性连接受力变形图（见图5，图6）

图5 柔性连接最大应力示意图

图6 柔性连接最大位移示意图

3）从以上4图我们可以看出：

焊接形式：最大应力：63.969 Mpa，位置在门框的边缘；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒顶部。

柔性连接：最大应力：75.873 Mpa，位置在门框的边缘；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒顶部。

从以上数据可以看出，焊接形式连接时，最大应力位置在门框的边缘，此处为塔筒的薄弱区域，容易产生应力集中；柔性连接时，最大应力和最大位移位置都在塔筒的上边缘，并且装配时此处增加减振垫，能缓冲各种载荷对塔筒的冲击作用，实现塔筒安全使用。

3 结论

通过塔筒两种连接结构受力分析的对比，柔性连接形式不仅改变了传统的焊接方法，方便运输；同时最大应力位置由原来的塔筒薄弱点改变成塔筒上端，并应用减振垫消除部分应力，提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性，此种连接结构安全可行，可以应用于实际生产。

参考文献

[1]Tony Burton.风能技术[M].北京：科学出版社，2007.

[2]姜香梅.有限单元法在风力发电机组开发中的应用研究[M].新疆农业大学，2002（5）.

[3]李本立，宋宪耕，等.风力机结构动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[4]陆萍，黄珊秋，张俊.风力机塔架塔筒结构静动态特性的有限元分析[J].太阳能学报，1997，18（4）.endprint

摘 要 文章探讨风力发电机塔筒柔性连接结构特点。对塔筒刚性连接结构和柔性连接结构进行受力分析，对比分析数据，分析柔性连接的特点。结果表明，在基础条件相同的情况下，柔性连接能减少焊接工序，降低由于焊接产生的焊接残余热应力，便于运输，同时提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性。因此采用Solidworks三维软件对塔筒刚性连接结构和柔性连接结构进行受力分析是可行的，结果与工程实际一致，提出的意见可用于指导工程实践。

关键词 塔筒；柔性结构；三维软件；受力分析

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0142-02

传统风力发电机塔筒一般分为3-6段，高45 m-100 m。每段长20 m-25 m，每段之间的钢板滚制后通过焊接连接而成。风力发电机塔筒在工作过程中受到风向不断变化，机组受风影响会发生摆动，塔筒的受力点在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口门，所以此段为塔筒的薄弱区域。因此为了确保风力发电机的正常运行，提高塔筒自身的可靠性，在设计塔筒结构时，必须充分考虑塔筒的强度和刚度，结构分析是一项重要的工作。

传统风力发电机塔筒最下一段与上一段由焊接完成的连接，由于焊接结构截面变化大，过渡区域较陡，圆角较小处容易引起较大的应力集中，同时焊接过程避免不了的存在焊接参与热应力，而且焊接过程产生的焊缝，热影响区等的显微组织与板材的基体组织有着显著差异，造成强度不够，此区域在塔筒摇摆工作过程中长时间受到拉伸与压缩交变在和的作用[3]。残余压力会降低塔筒结构的强度，交变载荷会造成塔筒结构发生疲劳，最终会造成塔筒失效，同时如果风速急剧增大，会对底端产生冲击载荷，焊缝的组织属于铸态组织结构，如果在焊接后热处理不当会造成冲击韧性性能不达标而使塔筒断裂。

为解决上述技术问题，设计风力发电机柔性连接结构，目的是减少焊接工序，降低由于焊接产生的焊接残余热应力，便于运输，同时提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性。现以2.5 MW风力发电机塔筒为例，应用三维分析软件对刚性和柔性两种结构进行受力分析，比较分析结果。

1 柔性连接结构特点

风力发电机塔筒柔性连接结构，见图1。在最下端塔筒（序号1）与上一段塔筒（序号2）连接处的两侧设置外连接盘（序号3）和内连接盘（序号4），外连接盘和内连接盘与最下端塔筒通过螺栓连接，外连接盘和内连接盘与上一段塔筒通过螺栓连接，最下段塔筒与上一段塔筒之间设有减振垫（序号5），在塔筒工作过程中产生的交变载荷可以通过塔筒的摇摆，在减振垫上消除这些载荷，同时此种连接方式可有效消除风速突变塔筒摇摆产生的冲击力，减轻对门框的压力。

2 加载和求解

为了说明柔性连接的优点，建立两种模型，一种是塔筒之间焊接，一种是塔筒之间柔性连接，见图2，分别施加相同的约束和载荷，对比分析塔筒的危险受力点和变形最大位置。分别以第六节塔筒为例，仿真分析受力情况。

1）塔筒焊接形式受力变形图（见图3，图4）

图1 柔性连接示意图 图2 柔性连接三维建模图

图3 焊接最大应力示意图

图4 焊接最大位移示意图

2）塔筒柔性连接受力变形图（见图5，图6）

图5 柔性连接最大应力示意图

图6 柔性连接最大位移示意图

3）从以上4图我们可以看出：

焊接形式：最大应力：63.969 Mpa，位置在门框的边缘；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒顶部。

柔性连接：最大应力：75.873 Mpa，位置在门框的边缘；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒顶部。

从以上数据可以看出，焊接形式连接时，最大应力位置在门框的边缘，此处为塔筒的薄弱区域，容易产生应力集中；柔性连接时，最大应力和最大位移位置都在塔筒的上边缘，并且装配时此处增加减振垫，能缓冲各种载荷对塔筒的冲击作用，实现塔筒安全使用。

3 结论

通过塔筒两种连接结构受力分析的对比，柔性连接形式不仅改变了传统的焊接方法，方便运输；同时最大应力位置由原来的塔筒薄弱点改变成塔筒上端，并应用减振垫消除部分应力，提高塔筒强度，提高风力发电机塔筒的安全性，此种连接结构安全可行，可以应用于实际生产。

参考文献

[1]Tony Burton.风能技术[M].北京：科学出版社，2007.

[2]姜香梅.有限单元法在风力发电机组开发中的应用研究[M].新疆农业大学，2002（5）.

[3]李本立，宋宪耕，等.风力机结构动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[4]陆萍，黄珊秋，张俊.风力机塔架塔筒结构静动态特性的有限元分析[J].太阳能学报，1997，18（4）.endprint