纵向变厚度钢板在风电塔筒中的应用及力学性能研究

文 | 丁宇楠，刘明，李文斌，祝磊

传统风电机组钢塔筒由等厚钢板卷制成环状焊接而成，若干节塔筒焊接成20～30m长的塔段，段与段之间通过L型法兰连接。风电机组塔筒的主要薄弱部位为塔筒底部和塔筒变壁厚处，这些部位的应力远大于其余部位，这说明塔筒结构的材料利用率相对较低，结构设计还有待改善。而采用LP（Longitudinally Profiled）钢板制作塔筒是一种提高材料利用率的有效方法。所谓LP钢板，是指采用变厚度轧制技术生产的、沿轧制方向厚度连续变化的钢板。这种钢板可以根据结构服役时的受力情况来设计不同的钢板纵向形状和厚度尺寸，进而达到节约钢材的目的。日本、西欧等在20世纪七、八十年代就已经开发出了变厚度轧制技术。经过几十年的发展，如今LP钢板已经有了多种规格和品种（如图1），并在船只建造和桥梁建设领域有广泛应用。我国变厚度钢板轧制技术于本世纪初才开始发展，目前，鞍钢已成功轧制出多种规格及厚度的LP钢板。但是由于产品标准和设计规范的滞后，我国尚未将LP钢板大规模应用于实际工程。

为探讨将LP钢板用于风电机组塔筒的可行性，本文以某83m风电机组塔筒为基础，用LP钢板替代传统等厚度钢板制作塔筒，运用ANSYS Workbench平台对LP钢板塔筒和传统等厚塔筒的静力性能进行分析，通过比较两者前5阶固有频率以及水平静载下塔顶位移与塔筒应力情况的差别说明两者在受力性能上的差异，进而论证采用LP钢板制作塔筒的优越性。

塔筒变厚度原则及建模

一、变厚度原则

塔筒的控制截面为底端截面，通过图2所示的优化方法，可以在不削弱控制截面的情况下减少钢材用量，实现各段塔筒之间厚度的连续过渡。

图1 常见LP钢板品种

图2 等厚度塔筒的优化

表1 各节塔筒尺寸

二、建立塔筒模型

本文在建立塔筒模型的过程中简化了塔筒内的爬梯和平台等附属件，并且暂不考虑门洞的影响，将模型化为标准的薄壁圆锥筒件。塔筒可以认为是一个悬臂结构，因此，有限元模型底部的约束条件设置为固接。忽略焊接和法兰连接的影响，塔段和塔段之间设为固接。分析中采用三维20节点SOLID186单元，钢材屈服强度为345MPa，弹性模量取200GPa，泊松比取0.3。等厚度塔筒各节的具体尺寸参数见表1，LP钢板塔筒基于图2的优化方法相应变厚度，最终模型如图3（等厚度塔筒与LP钢板塔筒有限元模型外观相同，因此未分别列出）。

塔筒结构静力分析

一、塔筒模态分析

利用ANSYS Workbench对塔筒模态进行求解，本文只比较塔筒受力性能的差异，计算时不考虑塔筒顶端机舱和叶片的重量，得到等厚度塔筒和LP钢板塔筒模型前5阶固有频率如表2所示，其中LP钢板塔筒振型见图4。对比两种塔筒的模态分析结果，二者前5阶模态振型相同，频率相差在4.2%之内。

二、塔筒静力分析

本文选取Bladed软件计算得到的极端运行阵风工况下的塔筒顶部极限荷载，部分荷载如表3所示，计算中考虑Mxy、Mz、Fxy和Fz四种荷载作用。经有限元计算得到塔筒整体位移及Von-Mises等效应力云图，如图5所示。其中LP钢板塔筒顶端位移1147mm，最大应力174.95MPa；等厚度塔筒顶端位移1113.3mm，最大应力182.51MPa，可得两者位移极值相差3%，应力极值相差4.1%。

图3 塔筒模型及有限元划分

图4 LP塔筒模态振型

表2 塔筒固有频率

表3 塔筒顶部集中荷载

三、塔筒用料比较

经ANSYS软件统计，等厚度塔筒一共用钢22.416m3，所用钢材总重175.97t；LP钢板塔筒一共用钢21.708m3，所用钢材总重170.41t，可知采用LP钢板塔筒相比于等厚度塔筒可节约3.16%的用钢量，即节约钢材5t。

图5 极限荷载作用下塔筒位移和应力云图

摄影：孙飞

根据有限元计算结果比较可知，LP钢板塔筒在模态和静力性能方面相对于传统等厚度塔筒差异微小（差距均在5%之内），采用LP钢板制作风电机组塔筒能在不影响其受力性能的情况下节约钢材使用量。另外，传统等厚度塔筒在筒节焊接时为了避免壁厚突变带来的应力集中，通常采用削边处理的方式保证壁厚的平滑过渡，以提高焊缝疲劳寿命。而采用LP钢板制造的塔筒则可以很好地解决焊缝应力集中的问题，同时由于厚度的连续变化，LP钢板塔筒还可自由选择焊接截面，从而避免在高应力截面施焊。

结论

本文对LP钢板风电机组塔筒和传统等厚度塔筒进行了有限元分析研究，得到的主要结论为：采用LP钢板制作的风电塔筒在模态和静力分析中与传统等厚度塔筒性能相近，可在不降低受力性能的情况下节约塔筒整体用钢量；连续变化的壁厚可以很好解决环向焊缝应力集中的问题，进而可提升塔筒的疲劳寿命。因此，采用纵向变厚度钢板制作风电机组塔筒可以充分利用材料，改善塔筒受力性能，具有良好的应用前景。