水平轴风力机塔架载荷谱及疲劳寿命仿真分析

徐国阳,宋　曦

(兰州理工大学 理学院,甘肃 兰州　730050)



水平轴风力机塔架载荷谱及疲劳寿命仿真分析

徐国阳,宋曦

(兰州理工大学 理学院,甘肃 兰州730050)

针对1.5 MW水平轴风力机,建立风力机的有限元模型。运用风振系数法和Betz动量理论计算风力机拟静力风载荷,以三角级数叠加法为基础分析了风力机塔架在复杂交变载荷作用下的响应,基于Miner线性疲劳累积损伤理论,分析了该类风力机塔架的疲劳寿命。结果表明,满足设计寿命要求30年,为风力机结构设计提供了参考依据。

水平轴风力机;风载荷;响应分析;疲劳寿命

塔架是风力机关键零部件,其强度和稳定性对风力机的可靠性起关键作用。由于风力机所处环境风况复杂,长期受到动载荷作用,容易产生疲劳破坏,影响风力机寿命[1],因此着重分析塔架的风载荷对其寿命预测具有重要意义。近年来,国内外学者已经对风力机的特性进行了一系列研究[2-6],但对于塔架的寿命而言,重点需要确定其运行过程中的风载荷,建立相应的风载荷计算方法。采用风振系数法和Betz理论[7]对1.5 MW水平轴风力机塔架和叶片进行等效风载荷计算,采用三角级数叠加法确定塔架在复杂交变载荷下的应力响应,在进行疲劳寿命分析时,基于Miner疲劳累积损伤理论,对风力机塔架的寿命进行估算。

1　风载荷模拟计算

疲劳寿命分析首先要分析构件的载荷状况,风力机塔架承受复杂的轴向力、弯矩、扭矩作用,同时不能忽略风力机叶片传递的力与桩基刚度对塔架寿命的影响。研究建立了风力机整体有限元模型并对风力机塔架疲劳寿命进行了分析,在进行疲劳设计时对复杂载荷进行适当的简化,考虑各风况在风力机设计寿命期间的概率分布。研究中叶片所受风压直接加载在叶片的迎风面上,塔架所受的风压直接作用在与叶片迎风面方向一致的结构面上。

1.1塔架结构的等效风载荷

根据设计规范,作用于风力机表面上单位面积的风载荷标准值为

wz=βzμsμzw0,

(1)

其中:wz为作用在高耸结构z高度处单位面积上的风载荷标准值(kN/m2);βz为z高度处的风振系数;μs为风载荷体型系数;μz为z高度处的风压高度变化系数;w0为该地区的基本风压(kN/m2)。

1.2风力机叶片的等效风载荷

根据Betz动量理论,经伯努利方程转化可得作用在旋转风轮上的轴向力T为

(2)

其中:A为风轮扫风面积;ρ为空气密度;v1为风轮前来流速度;CT为风轮推力系数,有

CT=4a(1-a),

(3)

其中:a为轴向诱导因子。

2　风速分布

目前一般采用Weibull分布函数来描述风速分布情况[8]。Weibull分布函数用尺度参数C和形状参数K来表征,其风速概率密度函数f(v)和累积分布函数F(v)分别为

(4)

(5)

把整个工作风速分成若干段,则某一风速段的全年累计小时数为

(6)

其中:Δ为风速区段宽度,计算中一般取Δ=2,C=9.2 m/s,K=2.0。

3　风力机塔架的响应分析

3.1塔架模型建立及网格划分

进行塔架疲劳寿命估计,需要计算出各风速下结构所受风载荷之后,分析塔架在风载荷下的响应。应力响应计算采用有限元法进行。为了考虑叶片旋转、叶片质量以及桩基刚度对塔架响应的影响,研究除建立塔架模型以外,还建立包括风轮、轮毂、机舱在内的整体有限元模型。

我们选取某1.5 MW水平轴风力机为研究对象,塔架为变截面的锥形筒体结构,材料为Q345钢,塔高78 m,底端直径4.23 m,顶端直径2.98 m;叶片为玻璃钢复合材料,叶轮直径为77.36 m,一般设计寿命为30年。风力机各部件的具体参数如表1所列。

表1　材料参数

建立风力机有限元模型时,塔架及叶片采用壳单元模拟,且塔架底部开门洞;机舱在塔架顶端,简化为一个质量块,用实体单元模拟;混凝土承台以下的每根桩基等效为一组水平和竖向刚度分别为Eh=1.8×107N/m2,Ev=1.9×108N/m2的弹簧来模拟。机舱与塔架、塔架与承台之间采用刚性连接,叶片根部全约束。在ANSYS12.0中对塔架进行网格划分,采用计算精度高的六面体网格单元,单元尺寸为30 mm,网格总数为70 078,节点数为263 526。风力机整体有限元网格划分如图1所示。

图1　风力机整体有限元网格划分Fig.1　Overall finite element mesh generation chart of wind turbine

3.2风力机塔架疲劳应力计算

在计算疲劳应力时,将模型导入ANSYS12.0进行计算,计算方法为三角级数叠加法,求出塔架在各个风况下最大Von Mises Stress应力作为该风况下等效应力。额定风况下塔架部分应力云图如图2所示。

图2　风力机额定风速下的应力云图Fig.2　Stress diagram at rated wind speeds of wind turbine

4　塔架疲劳性能及寿命研究

塔架材料选用Q345钢,以循环次数达到108次循环作为疲劳极限[9]。为了估算塔架的疲劳寿命,需要建立外载荷与寿命之间的关系,即S-N曲线为

lgNp=ap+bplgσp,

(7)

其中:ap、bp为根据材料所定的常数;σp为第p段风速对应的应力水平;Np为第p段风速对应的影响材料破坏循环数。循环特征r=σmin/σmax=-1。

疲劳寿命估算采用目前广泛使用的Miner理论,当累计损伤达到某极值时材料产生破坏,即

(8)

其中:np为应力水平为σp时的工作循环数。

标准载荷作用下材料发生疲劳破坏时的总循环数N为

(9)

其中:γp为第p级应力循环的百分比。

各级应力对应的破坏循环数由式(7)可得。风力机塔架的疲劳寿命估计式为

(10)

其中:Y为估计寿命(年),ω为风轮转速(r/min)。

风力机塔架等效应力如图3所示,风力机疲劳敏感区处于塔架根部。

图3　风力机塔架等效应力Fig.3　Equivalent stress diagram of wind turbine tower

5　算例

根据前面所讨论的Q345钢塔架的疲劳强度安全寿命设计方法,估算了1.5 MW风力机组风力机塔架的疲劳寿命。算例中风力机工作风速为5～25 m/s,转速ω=19.8 r/min。各风况下风力机塔架根部的工作循环数以及风力机塔架的Von Mises Stress应力如表2所列。全年风速累计小时数∑Tp=7 248 h。塔架材料为Q345钢,抗拉强度σb=490 MPa,ap=16.5,bp=-3.86,应力比r=-1,得到疲劳极限σ-1=158 MPa,相应的循环基数为2×108。

表2　风速分布和应力参数

考虑安全系数等因素,此结果满足设计寿命30年。结果中预估寿命远远大于设计寿命是由于研究只考虑风力机塔架的疲劳性能,而风力机叶片所受风载荷更为复杂,叶片与轮毂连接处的应力集中区域易产生塑形变形,因此,有必要对叶片的疲劳性能进一步分析。

6　结论

(1)根据风力机的结构参数,考虑叶片、桩基刚度对塔架响应以及疲劳寿命的影响,更加准确地进行寿命分析,需建立风机整机的有限元模型。

(2)在风载荷分析的基础上对塔架材料疲劳性能进行寿命估算,为风力机设计提供理论依据。

(3)塔架根部作为应力最大处,对于疲劳载荷尤为敏感,应对塔架根部尺寸加大以保证足够的强度和疲劳寿命。

(4)对风力机塔架进行疲劳寿命分析只能初步估算风力机整体寿命,叶片所受周期性载荷和随机载荷更为复杂。因此为进一步估算风力机的整体寿命还需对叶片进行准确的强度分析和疲劳特性分析。

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Analysis of Horizontal Axis Wind Turbine Tower Loading Spectrum and Fatigue Life-span Simulation

Xu Guoyang,Song Xi

(School of Sciences,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

Aiming at 1.5 MW horizontal axis wind turbine,this paper establishes a finite element model of the wind turbine,and makes use of wind vibration coefficient method and Betz momentum theory to calculate the wind turbine quasi-static wind load.Then,the article takes the trigonometric series superposition method as the basis to analyze the response of wind turbine tower in the effect of complex alternating loading.And it takes Miner linear fatigue accumulation damage theory as the basis to analyze the fatigue life of such wind turbine tower.The results show that it meets the design life of 30 years,providing a reference for wind turbine design.

Horizontal axis wind turbine;Wind load;Response analysis;Fatigue life

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.023.

2015-05-12;

2015-06-08.

徐国阳(1989-),男,山东烟台人,硕士研究生,研究方向为结构非线性力学分析.E-mail:404384460@qq.com.

TB122

A

1004-0366(2016)04-0115-04

引用格式:Xu Guoyang,Song Xi.Analysis of Horizontal Axis Wind Turbine Tower Loading Spectrum and Fatigue Life-span Simulation[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):115-118.[徐国阳,宋曦.水平轴风力机塔架载荷谱及疲劳寿命仿真分析[J].甘肃科学学报,2016,28(4):115-118.]