兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的有限元分析

1、26文章編號：1001-3997（2010）12-0026-02機(jī)械設(shè)計與制造MachineryDesignManufacture第12期2010年12月兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的有限元分析*鄭甲紅柳毅杜翠（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710021）FiniteelementanalysisforthetowerofmegawattwindturbineZHENGJia-hong，LIUYi，DUCui（ShaanxiUniversityofScienceandTechnology，InstituteofElectricalandMechanicalEngineering，Xian710021，

2、China）󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁♦

3、41;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

4、󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

5、83041;󰀁󰀁󰀂󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂【摘要】通過ANSYS有限元分析軟件，對某型兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的靜強(qiáng)度與模態(tài)進(jìn)行有

6、限元分析。其中靜力學(xué)分析分成了四種不同的風(fēng)載情況，并對各種載荷情況分別進(jìn)行了計算。得出了塔筒整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，正常工作時不會發(fā)生共振的結(jié)論，為塔筒的設(shè)計與優(yōu)化提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒；有限元；ANSYS；固有頻率【Abstract】UsingthefiniteelementsoftwareANSYS，itanalyzesthestaticsstrengthandmodalofthemegawattwindturbinetower.Staticsamongthemanalysishasdividedintofourdifferentkindsofwindsituandthetowe

7、rwillnotresonant.Theresultsisnecessaryforthedesignandoptimizationofthetower.Keywords：Windturbinetower；Finiteelement；ANSYS；Naturalfrequency中圖分類號：TH16，TM315文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Aations.Theanalysisresultsindicatethattheintegralstrengthofthetowermeetsthestrengthrequirements，1引言世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速增長刺激了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迅速崛起了許多風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)。這

8、些企業(yè)通過對國外風(fēng)電技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，塔筒的吸收再創(chuàng)新，形成了較大的生產(chǎn)規(guī)模。的作用是支撐機(jī)艙和葉輪，使這些部件在設(shè)計的高度運行，以獲因此，塔筒是整個風(fēng)力發(fā)得足夠的風(fēng)能，從而使發(fā)電機(jī)正常運轉(zhuǎn)。電機(jī)的重要組成部分之一，塔筒在不同情況下是否安全可靠是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運轉(zhuǎn)的前提。2塔筒有限元模型目前常見的塔筒有圓筒式、桁架式、混凝土式等?；炷了彩且环N完美的替代形式，但是這種形式的塔筒通常不夠經(jīng)濟(jì)。因此，大多數(shù)的風(fēng)力機(jī)塔筒是由鋼材制成的。本文研究的塔筒是圓筒式的鋼材料塔筒，該塔筒高度為78m，采用壁厚漸變空心圓最小壁厚為20mm。整個塔筒分為四柱結(jié)構(gòu)，最大壁厚為45mm，段，長度分別為：13

9、m、18.1m、21.9m和25m，每段之間采用法蘭盤聯(lián)接。塔筒所用的材料為Q345，彈性模量E=206GPa，泊松比=密度=7850kg/m3。0.3，ELEMENTS來稿日期：2010-02-03基金項目：陜西省自然基金項目（2010JM7017），陜西省教育廳項目󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

10、83041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁♦

11、41;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂本文使用PRO/E軟件建立塔筒的三維實體模型，然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析。單元類型選用8節(jié)點SOLID45三維六面體實

12、體單元。網(wǎng)格劃分時，采用smart自由劃分的方法。由于塔筒結(jié)構(gòu)尺寸較大，考慮到計算速度，取劃分精度為8級。該塔筒200533個單元，如圖1所示。的有限元模型共有67375個節(jié)點，3塔筒靜態(tài)有限元分析3.1受載分析研究的風(fēng)機(jī)正常工作的風(fēng)速為12m/s。在風(fēng)速為70m/s時，風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。再綜合考慮了風(fēng)向發(fā)生變化的情況后，對塔筒的分析）、極限工況（風(fēng)速70m/s）以及兩種工況下分為：正常工況（風(fēng)速12m/s風(fēng)向發(fā)生90°突變這四種工作情況。在以上四種工況下塔筒均承受頂部機(jī)艙以及其內(nèi)部傳動系統(tǒng)與電機(jī)的重量，同時還承受輪轂與葉片的重量以及有此重量產(chǎn)生的力矩，另外還有在機(jī)艙以及塔筒迎風(fēng)面作

13、用的風(fēng)載荷。以上四種工況承受的載荷，如表1所示。表1不同工況下塔筒承受的載荷不同工況下所受載荷）極限工況（風(fēng)速70m/s）正常工況（風(fēng)速12m/s1.正常風(fēng)向2.風(fēng)向突變90°3.正常風(fēng)向4.風(fēng)向突變90°469.22.5622.464677.25.12469.2739.43764.34677.21478.86469.287.104764.34677.2174.208YZ圖1塔筒的有限元模型塔筒頂部469.2重量（KN）塔頂所受風(fēng)422.24載荷（KN）塔筒迎風(fēng)22.464面所受風(fēng)）載荷（KN機(jī)艙質(zhì)心簡化產(chǎn)生的附677.2·M）加力矩（KN塔頂風(fēng)載簡844.48化

14、產(chǎn)生的附·M）加力矩（KN第12期鄭甲紅等：兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的有限元分析273.2加載計算與分析加載時，將塔筒頂部機(jī)艙、輪轂以及葉片的質(zhì)心簡化到了塔筒的中心。對這一重量采用了通過mass21單元與塔筒頂部節(jié)點剛化處理的方法來施加，如圖2（a）所示。這樣施加的載荷與實際情況更加符合。ELEMENTSELEMENTSCEUROTFMCENFORRFOR（a）節(jié)點剛化處理后的模型（b）塔筒加載后的模型圖2塔筒有限元模型由于塔筒底部為固定端，因此將底部經(jīng)行了6個自由度的全約束，即位移與轉(zhuǎn)角均為零。根據(jù)上述建立的有限元模型，對不同工況分別進(jìn)行求解計算，其結(jié)果如圖3、圖4所示，其中圖3為不同

15、工況下的等效應(yīng)力云圖，圖4為各種工況下的等效位移云圖。NODALSOLUTIONNODALSOLUTIONSTEP=1STEP=1SUB=1TIME=1MNSUB=1TIME=1SEQV（AVG）SEQV（AVG）MNDMX=.277E-03DMX=.245E-03SMX=57.073SMN=.039746SMX=60.989ZYMXYMXX.183926.50512.82619.14725.46831.78938.1144.43150.75257.073zhengchanggongkuang.0397466.81213.58420.35627.12833.940.67247.44454.21

16、760.989（a）工況1（b）工況4圖3等效應(yīng)力云圖如圖3所示，可以看出：在四種工況下，塔筒所受最大應(yīng)力均發(fā)生在迎風(fēng)面或背風(fēng)面接近塔筒底部處。這也與實際的工作情況相吻合。同時，從計算結(jié)果可知：在正常工況下最大應(yīng)力為max=57.073MPa，此時kmax燮s式中：s材料的屈服極限，對于材料Q345，取其抗壓強(qiáng)度為（295325）Mpa，k安全系數(shù)，取2。另外，在極限工況下最大應(yīng)力為max=149.035MPa，此時的安全系數(shù)為1.97，滿足所需理論條件。如圖4所示，可以看出，在各種工況下塔筒變形量均比較小，最大變形發(fā)生在工況2下，其值為0.974mm，基本上在允許的范圍內(nèi)。NODALSOLU

17、TIONMXSEFNODALSOLUTIONSTEP=1STEP=1SUB=1SUB=1TIME=1TIME=1SEQV（AVG）SEQV（AVG）DMX=.277E-03RSYS=0SMX=.277E-03DMX=.977E-05MXSMX=.974E-05XMNZZ0.308E-04.616E-04.924E-04.123E-03.154E-03.185E-03.216E-03.246E-03.277E-03zhengchanggongkuang.108E-05.216E-05.325E-05.433E-05.541E-05.679E-05.757E-05.866E-05.974E-05（

18、a）工況1（b）工況2圖4等效位移云圖4塔筒模態(tài)有限元分析對塔筒進(jìn)行模態(tài)分析的有限元模型與靜力分析的模型大體相似。對塔筒底部的位移進(jìn)行約束，各個自由度均設(shè)為零。此處采用分塊法（BlockLanczos）進(jìn)行模態(tài)分析求解固有頻率和振型。由于只關(guān)心低階模態(tài)，故只提取了5階模態(tài)。各階模態(tài)的固有頻率及振型，如表2所示。表2塔筒固有頻率階次固有頻率/Hz振型10.64750X方向的1階彎曲20.64962Y方向的1階彎曲34.0854X方向的2階彎曲44.0866Y方向的2階彎曲510.125Z方向的5階伸縮從表中可以看出，塔筒的1階與2階頻率、3階與4階頻率在數(shù)值上均非常接近。由各階振型圖可以看出，第1和第2階頻率的振型，如圖5（a）所示，第3與第4階頻率的振型，如圖5（b）所示，具有幾乎相同的形狀，只是發(fā)生變形的平面互成90°，因此可以把他們兩兩看成一個模態(tài)。出現(xiàn)這種情況是由于結(jié)構(gòu)的對稱性所致。XXZZ（a）1、2階頻率振型圖（b）3、4階