基于Excel的風機塔筒筒體展開計算

袁帶英

（ 四川建筑職業(yè)技術(shù)學院， 四川 德陽 618000）

隨著風電市場的競爭日趨激烈，風力發(fā)電機組塔筒的研發(fā)、設(shè)計周期的不斷減短，同時，為滿足各種招、投標的需要，以最短時間設(shè)計出符合要求的塔筒已成為必然[1-2]。 而長期以來，塔筒設(shè)備的設(shè)計以傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計為主，主要依靠工程設(shè)計人員的手工設(shè)計計算，其開發(fā)過程事物繁雜、效率低、研發(fā)周期長。 如何解決這個矛盾，將成為企業(yè)贏得市場以及提高設(shè)計響應能力的關(guān)鍵。

風電機組塔筒的筒體展開計算經(jīng)常會進行許多復雜繁瑣的設(shè)計計算， 如果用普通的方法， 不僅費時而且易出錯[3]。 目前，還沒有較好的專業(yè)軟件來處理，用編程的方式雖然可以解決某些具體問題但過于復雜。 因此， 需要尋找有效的手段提高設(shè)計計算的速度， 使一般的設(shè)計人員能方便地解決機械設(shè)計中的實際問題。 Excel是目前功能最強大、 技術(shù)最先進、 使用最方便、 應用最廣泛的智能化電子表格軟件，主要是應用于經(jīng)濟統(tǒng)計和財務(wù)報表及其數(shù)據(jù)的計算處理， 其強大的數(shù)據(jù)處理功能、 圖表功能及數(shù)據(jù)庫管理功能也可為機械設(shè)計提供有力的幫助，從而減少設(shè)計的計算工作量，提高計算的準確性[4]。

1 塔筒筒體板料技術(shù)要求簡介

制造風機塔筒筒體所用的鋼板其各項理化性能指標應符合相關(guān)國家標準要求， 且需滿足I 級無損探傷要求[5]，厚度公差需滿足EN 10029 B 級要求[6]。 筒體鋼板大都是定制鋼板，按照設(shè)計圖紙要求將鋼板尺寸計算無誤后，然后鋼廠按照訂料尺寸進行軋制生產(chǎn)，最后發(fā)給用戶。 并且每一張鋼板基本沒有互換性，每一張重量都在6 t～20 t 之間，一旦出現(xiàn)差錯，后果無法設(shè)想。 另外，鋼板規(guī)格都很大，如果計算時將余量放大，將大大增加成本[7]。 既要保證鋼板下料，又要降低成本，所以對鋼板尺寸計算的下料編程準確性有著極高的要求。

風機塔筒一般由若干塔筒段組成，塔筒段有錐段。 有直段，直段可按圓柱環(huán)計算，難度不大，在此不作詳細介紹。 現(xiàn)根據(jù)圖紙已知條件利用數(shù)學公式， 對塔筒錐段鋼板下料尺寸進行軟件編程計算。下面以某塔筒錐段筒體為例，運用Excel軟件進行鋼板尺寸計算編程。

2 筒壁展開數(shù)學模型

塔筒筒壁大多為圓錐回轉(zhuǎn)面筒狀。 塔筒筒壁具有：結(jié)構(gòu)簡單、同類型結(jié)構(gòu)大體相同、計算過程基本固定、尺寸變化較明顯等特點[7]。

圖1 塔筒段筒節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of the cylindrical section of the tower segment

圖2 塔筒錐段結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic of the tower cone section

塔筒段每個筒節(jié)的小端外徑和大端外徑可由下列遞推公式計算出：

每個筒節(jié)的板料展開參數(shù)，可由下述公式計算得到

圖3 筒節(jié)正圓錐臺Fig. 3 Cone frustum of the cylindrical section

圖4 圓錐臺展開圖Fig. 4 Cone frustum unfolded

整錐臺高：

上部錐臺高：

整圓錐展開半徑：

上部圓錐展開半徑：

展開料夾角：

展開料大端弧長：

展開料小端弧長：

展開料大端弦長：

展開料小端弦長：

大小端弦心距：

展開料最大寬度：

其中，D為大端中徑；d為小端中徑；h為錐臺兩端中心線點間垂直距離。

3 Execl求解

已知塔筒段上、下兩端的外徑，塔筒段總高度（ 不含法蘭厚度的垂直高度），以及每個筒節(jié)的垂直高度和板厚，如圖5所示。

由上述已知參數(shù)，按照數(shù)學計算式（ 1），通過Excel編程， 計算出每個筒節(jié)的大端外徑和小端外徑，如表1所示。

圖5 塔筒段示意圖（ mm）Fig. 5 Tower segment schematic（ mm）

表1 塔筒段筒節(jié)外徑計算表Tab. 1 Table of outer diameters of the cylindrical section of the tower segment mm

根據(jù)表1計算所得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)式（ 2）至（ 12）即可計算出筒節(jié)板料展開的理論長度A和理論寬度L，如表2所示。

將計算得到的展開小半徑r， 展開大半徑R，展開錐角α，輸入數(shù)控火焰切割機進行切割下料，就能準確無誤地對鋼板進行下料， 也就是表2中的紅色實線區(qū)域。

訂料時為了保證下料尺寸，經(jīng)過實踐檢驗，在板料展開的理論長度和理論寬度上分別加15～20 mm，即為訂料尺寸[8]。 還可計算出相關(guān)重量信息，公式如下：

展開板料理論值：

訂料重量：

表2 筒節(jié)板料展開計算表Tab. 2 Table of the cylindrical section calculation unfolded

式中，ρ為鋼板密度。

4 結(jié)論

風電機組塔筒的設(shè)計計算具有一定規(guī)律性， 首次編制設(shè)計計算程序時， 較手工計算并不顯其很大的優(yōu)越性， 但一經(jīng)完成并作為文件存儲下來， 以后再遇到類似計算時， 便可很快地得出正確的計算結(jié)果[9]。Excel在風電機組塔筒筒體展開中的應用，為設(shè)計人員提供了一種非常方便的塔筒筒體參數(shù)化設(shè)計工具，大大提高設(shè)計效率，保證設(shè)計質(zhì)量[10]，使工程技術(shù)人員擺脫繁重的重復勞動，具有較好的實用性，有效提高了設(shè)計響應能力。

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