兆瓦級風(fēng)電機組機艙罩穩(wěn)定性分析

鄧樹斌，江一杭

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

對于薄璧受壓結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)往往成為其結(jié)構(gòu)破壞的主要表現(xiàn)形式，且失穩(wěn)載荷通常遠小于強度破壞載荷，同時由于失穩(wěn)過程的突發(fā)性和強破壞性，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)往往帶來災(zāi)難性后果。因此，對薄璧受壓結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析，提前預(yù)測結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的載荷條件及容易發(fā)生失穩(wěn)的區(qū)域，進而進行針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計以改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況，避免工作中因失穩(wěn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象的發(fā)生，具有重要的指導(dǎo)意義。

作為風(fēng)電機組的重要組成部件，風(fēng)機罩殼承擔(dān)著抵抗環(huán)境載荷的作用，為機組提供可靠運行空間，保護機組免受外部環(huán)境干擾。罩殼能否正常安全工作，直接影響到機組的運行情況。

機艙罩作為一種典型的薄璧結(jié)構(gòu)，在載荷作用下，結(jié)構(gòu)屈曲失效往往是其主要的破壞模式，即由于機艙罩剛度不足引起結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)進而導(dǎo)致機艙罩的整體破壞。因此，對機艙罩進行穩(wěn)定性分析以保證其剛度布置，確保機艙罩在設(shè)計載荷條件下能正常工作，對于保證風(fēng)電機組的正常運行具有十分重要的工程意義。

本文以某兆瓦級機組機艙罩為分析對象，通過有限元方法詳細分析其在設(shè)計載荷下的穩(wěn)定性響應(yīng)，為該型號機艙罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用提供了相關(guān)參考。

1 分析模型的建立

根據(jù)某兆瓦級機艙罩的幾何模型，利用分析軟件建立了機艙罩的有限元模型。因機艙罩為薄璧結(jié)構(gòu)，其厚度方向尺寸遠小于其余兩個方向的尺寸，建模時采用二維平面單元進行網(wǎng)格劃分，對于模型中的桿類結(jié)構(gòu)，采用一維梁單元進行網(wǎng)格劃分，機艙罩各部分通過螺栓單元連接在一起。

機艙罩通過金屬轉(zhuǎn)接件連接到機架上，在有限元模型中，通過固定約束模擬機架對機艙罩的支撐作用。

2 設(shè)計載荷條件

機艙罩在工作過程中，除需承擔(dān)自身重量外，還要抵抗外部環(huán)境載荷的作用以及運行維護等活動載荷的作用。其中，作用在矩形截面上的風(fēng)載，各側(cè)面的載荷情況可按圖 1進行簡化。

圖1 風(fēng)載簡化示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind load

機艙罩的設(shè)計載荷條件參照GL規(guī)范要求進行設(shè)置，包括恒載與活載的組合、恒載與風(fēng)載的組合。設(shè)計載荷工況如表 1。

表1 機艙罩設(shè)計載荷組合Tab.1 Calculated load combinations of nacelle

3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

采用有限元方法對機艙罩進行穩(wěn)定性分析，各設(shè)計工況下機艙罩的主體屈曲模態(tài)及屈曲因子如圖2所示。

設(shè)計工況下，機艙罩的主體屈曲因子均大于 2.04，具有較大的安全裕度，滿足風(fēng)機規(guī)范對穩(wěn)定性的要求。在極限風(fēng)載作用下，機艙罩受風(fēng)面出現(xiàn)因受壓導(dǎo)致的褶皺失穩(wěn)；在極限活載作用下，機艙罩頂部出現(xiàn)受壓失穩(wěn)。失穩(wěn)區(qū)域均發(fā)生在加強筋之間的薄璧區(qū)域，該結(jié)果與薄璧屈曲理論相吻合，說明分析結(jié)果是可靠的。

圖2 機艙罩穩(wěn)定性分析云圖Fig.2 Cloud pictures of nacelle stability analysis

4 結(jié) 論

本文利用有限元方法，建立兆瓦級機艙罩的穩(wěn)定性分析模型，并根據(jù)風(fēng)機設(shè)計規(guī)范建立穩(wěn)定性分析載荷工況，通過對機艙罩進行穩(wěn)定性分析，得到以下結(jié)論：

①在設(shè)計工況下，機艙罩的主體屈曲因子滿足規(guī)范的要求，機艙罩在設(shè)計載荷作用下不會發(fā)生失穩(wěn)破壞；

②在壓力載荷作用下，機艙罩的失穩(wěn)區(qū)域主要發(fā)生在加強筋之間的薄璧殼體區(qū)域，優(yōu)化這些區(qū)域的剛度可顯著改善機艙罩的主體穩(wěn)定性；

③穩(wěn)定性分析可在設(shè)計階段預(yù)測和判斷機艙罩的失穩(wěn)區(qū)域及失穩(wěn)載荷，有助于及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域并進行有針對性的優(yōu)化改進，對提高產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品運行風(fēng)險具有重要作用?！?/p>

［1］Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[M].Hamburg：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH，2010.

［2］沈真.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

［3］陳鐵云，沈惠中.結(jié)構(gòu)的屈曲[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1993.