风电机组塔筒结构有限元分析自动化方法探析

[摘 要]随着经济的快速发展和科技的进步，社会各行业也得到了飞速的发展，各种新型的技术逐渐被引入社会生产和建设中。塔筒对整个风电机组有极其重要的作用，只有确保塔筒的安全及正常运行，才能保证风电机组的正常工作。

[关键词]风电机组；塔筒；有限元；分析自动化方法

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0136-02

塔筒是风电机组重要的承载元件，其本身承载着整个机组的作用力及叶轮振动载荷，塔筒的稳定运行对风电机组的正常运行有极其重要的作用。利用有限元分析自动化方法进行风电机组塔筒结构设计，能有效的提高塔筒的工作效率，简化设计工艺，降低成本，有限元分析自动化方法对风电机组塔筒结构的设计有十分重要的意义。

1.有限元分析的概述

1.1 有限元分析的简介

有限元分析是指利用数学近似的方法对真实的系统进行模拟，有限分析是用简单的思维代替复杂的思维进行问题求解。有限元分析求出的解不是真实的解，而是近似解，在实际生产中，问题的很难得到准确的求解，因此，可以采用近似解代替。由于有限元分析的精准度比较高，可以适用于各种复杂的问题求解，逐渐成为工程分析的有效手段。

1.2 有限元分析的基本特点

有限元分析同其他求解问题近似法最大的区别是有限元分析的近似性范围仅在求值范围内，有限元分析是Rayleigh Ritz法和分片函数的结合体，有限元分析将函数定义在简单的几何形状中，不需要考虑整体的复杂条件，这是有限元分析比较突出的特点。

2.风电机组塔筒结构有限元分析自动化前处理

风电机组塔筒结构有限元分析自动化前处理包括有限元模型的建立，塔筒材料属性、载荷条件的施加等，在进行几何模型建立时，可以通过人机交换界面将塔筒的几何参数输入模型中，利用二次开发语言编写程序，建立不同壁厚、锥高的塔筒结构。在保证网格参数满足分析要求后，进行材料的前处理，然后将信息提交给求解器进行计算，最后查找分析的结果，根据分析结构进行统计报告。

3.风电机组塔筒自动化分析建模

3.1 参数分析模型的建立

参数化设计主要是对实际生产设计过程中，对相同类型但不同规格的产品进行技术参数选择。风电机组塔筒在进行参数化建模时，要根据塔筒的几何尺寸建立纵向截面，根据塔筒的壁厚及锥高建立建模函数，各段利用循环电泳建模函数的方法进行建模，从而确定不同壁厚、锥高的塔筒几何模型。塔筒几何模型的建立是为了划分网格单元，塔筒不同壁厚之间的接口处如果处理不恰当，有限元分析在进行网格划分时，会产生网格单元差异，对最终分析结构造成影响，因此，在保证风电机组塔筒结构的同时，要对塔筒不同壁厚的焊接口处进行过度处理，确保有限元分析网格划分的规整。风电机组塔筒的塔门结构比较复杂，而塔门的网格划分质量对分析结构有很大的影响，为确保塔门的网格划分规整，在进行建模时，要将同塔门相连的塔身部分分割出一段，在进行网格划分时可以单独的对塔门进行处理，塔筒的内部设备在进行设计时，要在确保计算精度的同时，尽量简化。

3.2 塔筒截面的建模

在进行塔筒截面建模时，需要对每节塔筒进行编号，然后利用点坐标的方式建立塔筒纵向截面。塔筒的锥高相同时，设计塔筒结构时，可以根据每节塔筒的高度，利用相似三角形定理，计算出塔筒的外径；对于锥高不同的塔筒，不能利用相似三角形定理计算各节塔筒的外径，因此，需要将塔筒各节的外径直接输入模型中。

3.3 风电机组塔筒有限元分析模型网格的划分

网格划分是风电机组塔筒有限元分析自动化模型建立的重要部分，网格划分质量将直接影响计算结构的准确度和分析结果的准确性。风电机组塔筒结构属于对称结构，可以现在塔筒的纵向截面进行2D网格划分，相同类型的截面要设计相同的网格划分方式，当截面的网格划分完成后，对不同塔筒的焊接口处、塔门进行网格划分，在网格划分过程中，要注意网格划分的规则性和相互协调性，当2D截面网格划分结束后，利用扫描函数生成3D网格。

由于塔筒的塔门对最终分析结果有很大的影响，因此，在进行网格划分时，要将塔门及与塔门相连的塔身部分分离出来，最后在单独的进行划分，在进行塔门网格划分时，要尽量保证网格各边、内角等位置相同，各相邻网格单元要相互协调，网格单元的疏密度要恰当。

4.应用实例

本次计算以某1.5MW水平轴风电机组为算例，机舱、发电机、风轮等部分对塔筒动态特性分析结果的影响比较小，因此本次以塔筒本体为主进行建模，分析塔筒的运行情况。本次计算基本参数为，风电机组额定功率为1.5MW，机组高度为76m，塔顶外径为2.56m，塔底外径为4.5m，塔筒壁厚为13mm-30mm，弹性模量为2.06×105Mpa，密度为7.8×103kg/m3，泊松比为0.3，机舱及叶轮质量为103.86t。经过有限元分析自动化模型分析结果为：1阶纵向模态频率的计算结果为0.361Hz、有限元分析结果为0.356Hz，1阶横向模态频率计算结果为0.362Hz、有限元分析结果为0.357Hz，2阶纵向模态频率计算结果为2.793Hz、有限元分析结果为2.830Hz，2阶横向模态频率计算结果为2.851Hz、有限元分析结果为2.858Hz，3阶纵向模态频率计算结果为6.272Hz，有限元分析结果为6.278Hz，3阶横向模态频率计算结果为6.272Hz，有限元分析结果为6.278Hz，通过有限元分析模型和计算结果对比发现，两者的前三阶频率误差在1%以内，符合相关要求。以上计算结果说明，使用有限元分析自动化方法分析风电机组塔筒是可行的。

5.总结

塔筒是风电机组重要的承载元件，其本身承载着整个机组的作用力及叶轮振动载荷，塔筒的稳定运行对风电机组的安全及正常运行有极其重要的作用。采用有限元分析自动化方法进行风电机组塔筒分析，能有效的提高塔筒分析效率，对风电机组塔筒的设计有极其重要的意义。

参考文献

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