兆瓦级风力发电机塔筒的有限元分析

1、26文章编号：1001-3997（2010）12-0026-02机械设计与制造MachineryDesignManufacture第12期2010年12月兆瓦级风力发电机塔筒的有限元分析*郑甲红柳毅杜翠（陕西科技大学机电工程学院，西安710021）FiniteelementanalysisforthetowerofmegawattwindturbineZHENGJia-hong，LIUYi，DUCui（ShaanxiUniversityofScienceandTechnology，InstituteofElectricalandMechanicalEngineering，Xian710021，

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

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

4、󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

5、83041;󰀁󰀁󰀂󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂【摘要】通过ANSYS有限元分析软件，对某型兆瓦级风力发电机塔筒的静强度与模态进行有

6、限元分析。其中静力学分析分成了四种不同的风载情况，并对各种载荷情况分别进行了计算。得出了塔筒整体结构满足强度要求，正常工作时不会发生共振的结论，为塔筒的设计与优化提供了依据。关键词：风力发电机塔筒；有限元；ANSYS；固有频率【Abstract】UsingthefiniteelementsoftwareANSYS，itanalyzesthestaticsstrengthandmodalofthemegawattwindturbinetower.Staticsamongthemanalysishasdividedintofourdifferentkindsofwindsituandthetowe

7、rwillnotresonant.Theresultsisnecessaryforthedesignandoptimizationofthetower.Keywords：Windturbinetower；Finiteelement；ANSYS；Naturalfrequency中图分类号：TH16，TM315文献标识码：Aations.Theanalysisresultsindicatethattheintegralstrengthofthetowermeetsthestrengthrequirements，1引言世界风电产业的快速增长刺激了我国风电产业的发展，迅速崛起了许多风电设备制造企业。这

8、些企业通过对国外风电技术在风力发电机组中，塔筒的吸收再创新，形成了较大的生产规模。的作用是支撑机舱和叶轮，使这些部件在设计的高度运行，以获因此，塔筒是整个风力发得足够的风能，从而使发电机正常运转。电机的重要组成部分之一，塔筒在不同情况下是否安全可靠是整个风力发电机正常运转的前提。2塔筒有限元模型目前常见的塔筒有圆筒式、桁架式、混凝土式等。混凝土塔筒是一种完美的替代形式，但是这种形式的塔筒通常不够经济。因此，大多数的风力机塔筒是由钢材制成的。本文研究的塔筒是圆筒式的钢材料塔筒，该塔筒高度为78m，采用壁厚渐变空心圆最小壁厚为20mm。整个塔筒分为四柱结构，最大壁厚为45mm，段，长度分别为：13

9、m、18.1m、21.9m和25m，每段之间采用法兰盘联接。塔筒所用的材料为Q345，弹性模量E=206GPa，泊松比=密度=7850kg/m3。0.3，ELEMENTS来稿日期：2010-02-03基金项目：陕西省自然基金项目（2010JM7017），陕西省教育厅项目󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

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

11、41;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀂本文使用PRO/E软件建立塔筒的三维实体模型，然后导入ANSYS中进行有限元分析。单元类型选用8节点SOLID45三维六面体实

12、体单元。网格划分时，采用smart自由划分的方法。由于塔筒结构尺寸较大，考虑到计算速度，取划分精度为8级。该塔筒200533个单元，如图1所示。的有限元模型共有67375个节点，3塔筒静态有限元分析3.1受载分析研究的风机正常工作的风速为12m/s。在风速为70m/s时，风机处于停机状态。再综合考虑了风向发生变化的情况后，对塔筒的分析）、极限工况（风速70m/s）以及两种工况下分为：正常工况（风速12m/s风向发生90°突变这四种工作情况。在以上四种工况下塔筒均承受顶部机舱以及其内部传动系统与电机的重量，同时还承受轮毂与叶片的重量以及有此重量产生的力矩，另外还有在机舱以及塔筒迎风面作

13、用的风载荷。以上四种工况承受的载荷，如表1所示。表1不同工况下塔筒承受的载荷不同工况下所受载荷）极限工况（风速70m/s）正常工况（风速12m/s1.正常风向2.风向突变90°3.正常风向4.风向突变90°469.22.5622.464677.25.12469.2739.43764.34677.21478.86469.287.104764.34677.2174.208YZ图1塔筒的有限元模型塔筒顶部469.2重量（KN）塔顶所受风422.24载荷（KN）塔筒迎风22.464面所受风）载荷（KN机舱质心简化产生的附677.2·M）加力矩（KN塔顶风载简844.48化

14、产生的附·M）加力矩（KN第12期郑甲红等：兆瓦级风力发电机塔筒的有限元分析273.2加载计算与分析加载时，将塔筒顶部机舱、轮毂以及叶片的质心简化到了塔筒的中心。对这一重量采用了通过mass21单元与塔筒顶部节点刚化处理的方法来施加，如图2（a）所示。这样施加的载荷与实际情况更加符合。ELEMENTSELEMENTSCEUROTFMCENFORRFOR（a）节点刚化处理后的模型（b）塔筒加载后的模型图2塔筒有限元模型由于塔筒底部为固定端，因此将底部经行了6个自由度的全约束，即位移与转角均为零。根据上述建立的有限元模型，对不同工况分别进行求解计算，其结果如图3、图4所示，其中图3为不同

15、工况下的等效应力云图，图4为各种工况下的等效位移云图。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）工况1（b）工况4图3等效应力云图如图3所示，可以看出：在四种工况下，塔筒所受最大应力均发生在迎风面或背风面接近塔筒底部处。这也与实际的工作情况相吻合。同时，从计算结果可知：在正常工况下最大应力为max=57.073MPa，此时kmax燮s式中：s材料的屈服极限，对于材料Q345，取其抗压强度为（295325）Mpa，k安全系数，取2。另外，在极限工况下最大应力为max=149.035MPa，此时的安全系数为1.97，满足所需理论条件。如图4所示，可以看出，在各种工况下塔筒变形量均比较小，最大变形发生在工况2下，其值为0.974mm，基本上在允许的范围内。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）工况1（b）工况2图4等效位移云图4塔筒模态有限元分析对塔筒进行模态分析的有限元模型与静力分析的模型大体相似。对塔筒底部的位移进行约束，各个自由度均设为零。此处采用分块法（BlockLanczos）进行模态分析求解固有频率和振型。由于只关心低阶模态，故只提取了5阶模态。各阶模态的固有频率及振型，如表2所示。表2塔筒固有频率阶次固有频率/Hz振型10.64750X方向的1阶弯曲20.64962Y方向的1阶弯曲34.0854X方向的2阶弯曲44.0866Y方向的2阶弯曲510.125Z方向的5阶伸缩从表中可以看出，塔筒的1阶与2阶频率、3阶与4阶频率在数值上均非常接近。由各阶振型图可以看出，第1和第2阶频率的振型，如图5（a）所示，第3与第4阶频率的振型，如图5（b）所示，具有几乎相同的形状，只是发生变形的平面互成90°，因此可以把他们两两看成一个模态。出现这种情况是由于结构的对称性所致。XXZZ（a）1、2阶频率振型图（b）3、4阶