某型风力发电机组电缆爬梯平台基于MIDAS/Gen的有限元分析

陈志军

根据GB40533《固定式钢梯及平台安全要求》，应对工业用平台设计的安全性进行评估，而计算平台的刚强度即可实现对其安全性的有效评估。

MIDAS/Gen是建筑结构通用结构分析与优化的设计软件，由全球大型钢铁公司韩国浦项制铁集团开发。在结构设计方面，MIDAS/Gen全面强化了实际工作中结构分析所需要的各项功能。通过在已有的有限元库中加入索单元、钩单元、间隙单元等非线性单元，结合施工阶段、时间依存性、几何非线性等最新结构分析理论，计算出更加准确和切合实际的分析结果。采用自行开发的新概念CAD形式的技术完成建模，加以如Auto Mesh Generation、结构建模助手等高效自动化建模功能。特别是钢结构的优化设计（OptimalDesign）功能可以在考虑多种设计要求的基础上进行最优化的轻量设计，从而提高效率和精确性。相比于其他计算软件，运用MIDAS/Gen计算钢结构件平台框架，更加高效和便捷，计算结果更加精准。

在新研发的某型风力发电机组中，设计了连接塔筒和机舱的电缆爬梯平台（Y1版）。该设计创新性地把爬梯和电缆固定支架以及检修平台设计成一个整体，减少了制造和安装工作量。但使用结构分析软件MIDAS/Gen对其做刚强度分析发现，该设计存在安全问题，因此，重新设计了电缆爬梯平台（Y2版）。对比Y2版和Y1版的钢结构件有限元分析结果发现，Y2版较Y1版在强度和刚度方面均有较大提升，消除了之前的安全隐患，提升了平台的可靠性。

结构设计和三维模型的建立

一、结构设计

电缆爬梯平台在风力发电机组中是塔筒通向机舱的较为关键的结构件，是设计者根据新型机舱的特点创新设计的一套结构件，此结构件兼具人员攀爬、电缆通道、电缆固定承重、设备检修平台等功能。由于第一次在新型机组上使用，需要对其做有限元分析和刚强度校核。具体的结构及尺寸见表1。

二、三维模型的建立

三维模型采用三维设计软件SolidWorks建立。首先建立顶部八边形平台板，再建立电缆出口和人孔口，根据电缆走向设计电缆爬梯，根据人孔口位置设计供人攀爬的钢爬梯，将两个爬梯焊接成截面为三角形的框架结构，如图1所示。MIDAS/Gen有限元分析

一、有限元分析模型建立和网格划分

为了便于对电缆爬梯平台做有限元静态分析，需要根据三维模型尺寸，在MIDAS软件的截面库中选用相应的板单元和梁单元对三维模型简化重构，形成MIDAS数值分析三维模型。MIDAS/Gen软件所采用的板单元，根据平面外刚度不同可以划分为薄板单元DKT、DKQ（DiscreteKirchhoff Element）和厚板单元DKMT、DKMQ（DisereteKirchhoff-Mindlin Element）两种。由于板单元考虑了局部剪切应力的影响，因此，无论薄板单元和厚板单元都能计算出比较准确的结果。梁单元具有拉压剪弯扭的变形刚度，根据Timoshenko Beam Theory，也可以得到非常准确的结果。

利用软件的自动网格划分功能。可以将梁单元和板单元进行网格节点耦合，从而高效地对复杂结构件进行网格划分，如图2所示。

二、单元材料参数

电缆爬梯平台的材料采用Q235B钢材，属性为线弹性各向同性。钢材的弹性模量为2.06×10⁸kN/m²，泊松比为03容量为76.98kN/m³。

三、载荷及边界条件

电缆爬梯平台参照GB4053《固定式钢梯及平台安全要求》第3部分对工业防护栏杆及钢平台的要求，整个平台区域内应能承受不小于3kN/m²均匀分布活载荷。平台地板在设计载荷下的挠曲变形应不大于10 mm或跨度的1/200（两者取小值）;人员踩踏爬梯踏棍的节点荷载为1kN;电缆载荷为均布荷载。取值为13N/mm，载荷施加位置如图3所示。

边界条件：改进前为18个板单元节点铰接固定：改进后为16个板单元节点铰接固定加上2个梁单元铰接固定，如图4所示。

计算结果与分析

一、刚强度计算结果

根据上述有限元模型，改进前电缆爬梯安装固定方式是：沿着平台板周围取18个点用螺栓与机舱铸件连接，为了弥补平台板刚度的不足，在平台板背面焊接截面为120mmX6mm的4条扁钢。计算结果显示，在螺栓连接位置出现应力集中。

改进后将主梁角钢BL120mmX80mmX6mm的两端。通过节点固定在机舱铸件上，从而使受力情况大为改观，同时取消之前的4条120mmX 6mm扁钢加强筋。以下是改进前后的计算对比结果（如图5-图7）。

分析电缆爬梯平台应力分布云图可知，改进前板单元最大应力集中在边界约束的板单元铰接点上，也就是说板单元作为边界条件的铰接撑点会引起局部应力过大，使板单元存在局部撕裂失效的隐患。将板单元背面增加角钢支撑梁后，板单元应力集中问题得到彻底解决，整体的强度和挠度均满足GB4053《固定式钢梯及平台安全要求》第3部分对工业防护栏杆及钢平台的要求。

二、极端工况下的计算结果分析

在进行偏航电机减速机（质量为500kg，与平台接触尺寸为200mmX200mm）安装和检修的过程中，将存在减速电机在平台钢板任意位置出现的极端工况。现将此特殊工况模拟为压力荷载，计算压力值为0.125N/mm²，分别加载到平台板3个不同危险点，计算结果如图8所示。由图可知，在对平台进行检修作业时，板单元强度仍可以满足使用要求，具有足够的强度储备。

结语

本文采用土木工程通用的有限元分析软件MIDAS/Gen对全新设计的电缆爬梯平台进行有限元数值计算，得出如下结论：

（1）电缆爬梯平台Y1版的安装固定位置存在问题，只用板单元支撑整个平台是不安全的，板单元存在因应力集中而发生撕裂的隐患，必须施加补强措施。通过在平台背面增加支撑梁，同时将支撑梁固定在机舱钢铸件上，极大改变了整个平台的应力分布，最大板单元应力从369MPa降低為156MPa，消除了平台隐患。提高了机组运行的安全性。

（2）模拟计算将一台减速电机放置在平台3个危险点的极端工况，计算结果表明极端工况可满足刚强度使用要求。

（3）电缆爬梯结构件的安装固定形式非常关键，如果安装方式合理，不仅能够大大提高安全性，而且可以优化设计、节约钢材。