大型风力发电机塔筒屈曲分析

卢念

采埃孚（天津）风电有限公司 天津 300402

1 塔筒压杆稳定性理论分析

1.1 模型描述

根据塔筒实际模型，我们先假定塔筒为一细长杆，可以用下式来描述不同约束条件下细长压杆的临界力[1-2]：

其中，截面惯性矩I应取其最小值Imin；E为材料弹性模量；µ为长度因数，它反映了杆端约束条件对临界力的影响，本模型为一端固定，一端自由，取µ=2； 为杆长度，即计算塔筒高度。

1.2 计算过程

（1）截面惯性矩I的计算：

表1 塔筒截面惯性矩计算数据

塔筒为圆环形，截面惯性矩计算公式[3]：

计算结果为：

表2 塔筒截面惯性矩计算结果

（2）临界压力Fcr的计算：

运用公式（1）可直接得到塔筒的临界压力，结果如下：

表3 塔筒临界压力计算

（3）惯性半径的计算：

其中I为惯性矩，A为截面积，得到塔筒的惯性半径如表4所示：

2 塔筒屈曲有限元分析

2.1 模型描述

表4 塔筒截面惯性半径计算

整体静强度分析采用的模型为：塔筒筒体按图纸尺寸建模并考虑焊缝。塔筒筒体顶端截面中心处加一个无质量点，坐标为（0，0，66．15），用无质量梁连接到塔筒顶端外圈节点上，筒体上对门框和门洞进行建模，门框和塔筒壁的关系为粘接（GLUE）关系，模型网格均为六面体网格，沿塔筒壁厚方向划分两层单元，总单元数为28851个，总节点数为157151个。整体模型如图1所示。

图1 屈曲分析模型

模型采用的单元形式和材料常数设置如表5：

表5 塔筒屈曲计算模型中使用的单元形式和材料常数

2.2 加载方式

对塔筒顶端截面中心无质量点加载：Fz=-1N。

2.3 边界条件

塔筒底面全约束。

2.4 模型简化说明

模型中未考虑法兰、螺栓及其质量。

2.5 模型中使用的坐标系

计算中采用X-Y-Z右手坐标系的笛卡儿坐标。

2.6 屈曲计算结果

有限元软件输出的结果如下：

＊＊＊＊ INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE ＊＊＊＊＊

SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE

1 0．30585E+08 1 1 1

所加载荷是单位载荷，所以计算得到的一阶屈曲特征值就是屈曲临界载荷，即Fcr=30585kN，可以看出有限元计算的结果在理论计算的范围内，说明计算结果是可信的。

总之，屈曲荷载属于完善结构的分叉失稳荷载，实际结构由于缺陷的影响失稳模式通常是极值点失稳，其极限荷载较屈曲荷载明显降低。为了得到更接近实际的失稳荷载，应对结构进行考虑结构非、材料塑性以及初始缺陷影响的屈曲分析。针对筒壳结构对缺陷敏感的特性，本文采用考虑结构初始缺陷的屈曲分析方法，将屈曲分析得到的屈曲模态按实际的缺陷大小限值归一化后作为塔筒结构的初始缺陷，并采用弧长法求解塔筒结构的荷载位移曲线，从而获得实际结构屈曲时的临界荷载。