兆瓦级风电机组机舱罩稳定性分析

邓树斌，江一杭

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

对于薄璧受压结构，失稳往往成为其结构破坏的主要表现形式，且失稳载荷通常远小于强度破坏载荷，同时由于失稳过程的突发性和强破坏性，一旦结构发生失稳往往带来灾难性后果。因此，对薄璧受压结构进行稳定性分析，提前预测结构发生失稳的载荷条件及容易发生失稳的区域，进而进行针对性的结构设计以改善结构的稳定性情况，避免工作中因失稳导致结构失效现象的发生，具有重要的指导意义。

作为风电机组的重要组成部件，风机罩壳承担着抵抗环境载荷的作用，为机组提供可靠运行空间，保护机组免受外部环境干扰。罩壳能否正常安全工作，直接影响到机组的运行情况。

机舱罩作为一种典型的薄璧结构，在载荷作用下，结构屈曲失效往往是其主要的破坏模式，即由于机舱罩刚度不足引起结构发生失稳进而导致机舱罩的整体破坏。因此，对机舱罩进行稳定性分析以保证其刚度布置，确保机舱罩在设计载荷条件下能正常工作，对于保证风电机组的正常运行具有十分重要的工程意义。

本文以某兆瓦级机组机舱罩为分析对象，通过有限元方法详细分析其在设计载荷下的稳定性响应，为该型号机舱罩的结构设计和工程应用提供了相关参考。

1 分析模型的建立

根据某兆瓦级机舱罩的几何模型，利用分析软件建立了机舱罩的有限元模型。因机舱罩为薄璧结构，其厚度方向尺寸远小于其余两个方向的尺寸，建模时采用二维平面单元进行网格划分，对于模型中的杆类结构，采用一维梁单元进行网格划分，机舱罩各部分通过螺栓单元连接在一起。

机舱罩通过金属转接件连接到机架上，在有限元模型中，通过固定约束模拟机架对机舱罩的支撑作用。

2 设计载荷条件

机舱罩在工作过程中，除需承担自身重量外，还要抵抗外部环境载荷的作用以及运行维护等活动载荷的作用。其中，作用在矩形截面上的风载，各侧面的载荷情况可按图 1进行简化。

图1 风载简化示意图Fig.1 Schematic diagram of wind load

机舱罩的设计载荷条件参照GL规范要求进行设置，包括恒载与活载的组合、恒载与风载的组合。设计载荷工况如表 1。

表1 机舱罩设计载荷组合Tab.1 Calculated load combinations of nacelle

3 稳定性分析结果

采用有限元方法对机舱罩进行稳定性分析，各设计工况下机舱罩的主体屈曲模态及屈曲因子如图2所示。

设计工况下，机舱罩的主体屈曲因子均大于 2.04，具有较大的安全裕度，满足风机规范对稳定性的要求。在极限风载作用下，机舱罩受风面出现因受压导致的褶皱失稳；在极限活载作用下，机舱罩顶部出现受压失稳。失稳区域均发生在加强筋之间的薄璧区域，该结果与薄璧屈曲理论相吻合，说明分析结果是可靠的。

图2 机舱罩稳定性分析云图Fig.2 Cloud pictures of nacelle stability analysis

4 结 论

本文利用有限元方法，建立兆瓦级机舱罩的稳定性分析模型，并根据风机设计规范建立稳定性分析载荷工况，通过对机舱罩进行稳定性分析，得到以下结论：

①在设计工况下，机舱罩的主体屈曲因子满足规范的要求，机舱罩在设计载荷作用下不会发生失稳破坏；

②在压力载荷作用下，机舱罩的失稳区域主要发生在加强筋之间的薄璧壳体区域，优化这些区域的刚度可显著改善机舱罩的主体稳定性；

③稳定性分析可在设计阶段预测和判断机舱罩的失稳区域及失稳载荷，有助于及时发现结构的薄弱区域并进行有针对性的优化改进，对提高产品可靠性、降低产品运行风险具有重要作用。■

［1］Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[M].Hamburg：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH，2010.

［2］沈真.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.

［3］陈铁云，沈惠中.结构的屈曲[M].上海：上海科学技术文献出版社，1993.