風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)研究概述

張 羽，蔡 新，2，高 強(qiáng)，丁文祥

（1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京　211100；2.河海大學(xué)沿海開發(fā)保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京　210098）

風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)研究概述

張 羽1，蔡 新1，2，高 強(qiáng)1，丁文祥1

（1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京211100；2.河海大學(xué)沿海開發(fā)保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210098）

塔架作為風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，起到支撐上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量、承受動(dòng)載荷的作用，保障了風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行.對塔架結(jié)構(gòu)研究進(jìn)行總結(jié)概述，能夠完善風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論體系.從工程實(shí)用角度出發(fā)，以風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及抗疲勞性能為核心，圍繞結(jié)構(gòu)選型、靜動(dòng)態(tài)特性、屈曲特性及疲勞特性等要點(diǎn)問題進(jìn)行綜述，回顧了各領(lǐng)域不同研究階段的國內(nèi)外成果，同時(shí)，介紹了新型塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隨機(jī)荷載動(dòng)力分析以及非線性屈曲與疲勞特性分析等前沿?zé)狳c(diǎn)問題的研究進(jìn)展.總結(jié)了上述要點(diǎn)問題的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)闡述了相關(guān)技術(shù)的原理和應(yīng)用，梳理其發(fā)展脈絡(luò)，并對未來研究趨勢進(jìn)行了展望.內(nèi)容涵蓋了風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)的各主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠?yàn)轱L(fēng)力機(jī)塔架設(shè)計(jì)與分析提供指導(dǎo).

風(fēng)力機(jī)塔架；結(jié)構(gòu)選型；靜動(dòng)力特性；屈曲特性；疲勞特性

風(fēng)能是現(xiàn)有能源中具有較大開發(fā)價(jià)值和大規(guī)模利用可行性的優(yōu)質(zhì)可再生能源，世界各國都將風(fēng)能視作當(dāng)下新能源開發(fā)的重要方向.據(jù)統(tǒng)計(jì)：2014年中國風(fēng)電新增裝機(jī)量為23 196MW，同比增長44.2%；累計(jì)裝機(jī)達(dá)到114.61GW，同比增長25.4%［1］，正處在高速發(fā)展的黃金時(shí)期.

塔架在風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的作用是支撐上部機(jī)組結(jié)構(gòu)，將來自于自重、環(huán)境和運(yùn)行過程等的結(jié)構(gòu)載荷傳遞到基礎(chǔ)，既為風(fēng)輪在空間中提供了足夠的工作高度，也為整個(gè)風(fēng)力機(jī)組的穩(wěn)定可靠工作提供保障.現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)向大型化發(fā)展的同時(shí)，也使整機(jī)的體型更加龐大，其中，塔架部分可達(dá)百噸以上，占總造價(jià)的20%左右，是風(fēng)力機(jī)的重要組成部分，因此對設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性與可靠性提出了更高的要求.本文圍繞塔架結(jié)構(gòu)形式、靜動(dòng)力學(xué)特性、穩(wěn)定性與疲勞特性等問題，總結(jié)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法與分析思路，并對一些研究熱點(diǎn)的發(fā)展方向作出展望.

1　塔架選型

根據(jù)實(shí)際的風(fēng)場條件、功率配置以及設(shè)計(jì)要求選擇合理的塔架結(jié)構(gòu)形式，不僅能夠提高塔架的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性，充分發(fā)揮材料性能，而且在經(jīng)濟(jì)性、美觀性及生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)确矫嫫鸬椒e極作用.目前，風(fēng)力機(jī)塔架的結(jié)構(gòu)形式主要分為2類.

圖1筒型塔架在當(dāng)前的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中被大量使用，其優(yōu)點(diǎn)是外形簡潔美觀、構(gòu)造簡單、傳力明確、占地面積小、用鋼量少，上下塔架安全可靠.圖2格構(gòu)式塔架在高度和剛度設(shè)計(jì)要求相同時(shí)，材料消耗比筒型塔架減少約40%，且格構(gòu)式塔架的構(gòu)件尺寸小，具有加工工藝簡單、成本低、運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn).缺點(diǎn)是占地面積大，上塔梯子不好安排且不安全等，限制了此型塔架的應(yīng)用［2］.從結(jié)構(gòu)的角度，兩型塔架各有特點(diǎn)，筒型塔架的剛度條件通常是主要設(shè)計(jì)控制因素，而格構(gòu)式塔架的剛度相對較好，設(shè)計(jì)過程中主要考慮經(jīng)濟(jì)因素，前者可通過選擇塔身最佳頂?shù)讖奖取捀弑取⑿甭士刂?，后者則要求綜合考慮寬高比與腹板布置方式［3］.綜上，筒型塔架結(jié)構(gòu)性能好，人工維修方便安全，外形美觀，仍是目前設(shè)計(jì)制造的主流［4］.同時(shí)，格構(gòu)式塔架也有應(yīng)用，特別在風(fēng)力機(jī)大型化趨勢下，其成本低、便于運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)表現(xiàn)更為突出.近年來國外的一些高度在100m以上的風(fēng)電項(xiàng)目中，格構(gòu)式設(shè)計(jì)被重新重視，有研究則直接提出塔架高于50m時(shí)，應(yīng)采用格構(gòu)式塔架，而低于40m的塔架宜采用圓筒式塔架［5］.

隨著風(fēng)力機(jī)大型化和裝備制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新結(jié)構(gòu)和新材料被應(yīng)用到塔架設(shè)計(jì)中，補(bǔ)充了風(fēng)電技術(shù)發(fā)展對塔架性能的要求.例如，鋼管混凝土三肢柱塔架在軸向力作用下具有更加優(yōu)越的力學(xué)性能，結(jié)合了鋼材與混凝土的材料優(yōu)點(diǎn)，提升結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，降低了整體用鋼量［6］.這些研究，為風(fēng)力機(jī)塔架設(shè)計(jì)的多樣化選型提供了科學(xué)的依據(jù)，完善了體型設(shè)計(jì)的理論體系，同時(shí)，新型塔架結(jié)構(gòu)普遍存在的設(shè)計(jì)論證不足、制備工藝缺失以及實(shí)驗(yàn)研究落后的問題，仍待后續(xù)研究進(jìn)行補(bǔ)充和突破.

圖1　圓（錐）筒型塔架Fig.1 Round（cone）type tower

圖2　格構(gòu)（桁架）式塔架Fig.2 Lattice（truss）type tower

2　塔架靜力與動(dòng)力特性

2.1靜力分析

靜力設(shè)計(jì)保障了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)，是其他設(shè)計(jì)分析環(huán)節(jié)的基礎(chǔ).塔架結(jié)構(gòu)形式和材料的選用一般隨項(xiàng)目對產(chǎn)品性能與適用工況的要求而定，實(shí)際的設(shè)計(jì)分析方法和工具因人而異，但是，靜力分析的理論依據(jù)基本一致，即建立線彈性模型，確定危險(xiǎn)截面，進(jìn)行內(nèi)力分析.當(dāng)結(jié)構(gòu)大變形等非線性性質(zhì)帶來的影響無法忽略時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的非線性分析［7］.

建模與加載是力學(xué)特性分析的首要步驟.風(fēng)力機(jī)塔架靜力分析的建模相對簡單，其中，具有代表性的方案如圖3，根據(jù)錐筒型塔架的幾何與受力特點(diǎn)將其簡化成集彎曲變形、軸向壓縮變形及扭轉(zhuǎn)變形為一體的復(fù)雜梁柱問題，設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)后，對水平風(fēng)向推力、軸向上部結(jié)構(gòu)壓力及側(cè)向風(fēng)壓等荷載進(jìn)行簡化加載，模型即可被視為一端固定、一端自由的變截面懸臂梁結(jié)構(gòu)［8］.

圖3　錐筒型塔架靜力學(xué)模型Fig.3 Statics model of cones type tower

風(fēng)力機(jī)塔架作為一類薄壁高聳構(gòu)筑物，側(cè)向變形較大，剛度往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素.在同一載荷情況下，塔架的位移量隨著高度的增加而增加，因而通過計(jì)算塔頂位移程度可以定量分析設(shè)計(jì)剛度指標(biāo).根據(jù)上述力學(xué)模型，塔架頂端的水平位移Δ可由結(jié)構(gòu)位移公式計(jì)算得出［9］：

結(jié)合材料力學(xué)［10］知識可將（1）式求解得到

式中：Ip，Im，Iq分別表示由橫向力、彎矩、均布載荷作用下結(jié)構(gòu)對應(yīng)的當(dāng)量慣性矩.需根據(jù)不同載荷的組合情況，由剛度條件，分別建立慣性矩與當(dāng)量慣性矩關(guān)系式，推導(dǎo)出計(jì)算階梯型與錐型風(fēng)力機(jī)塔架的當(dāng)量慣性矩計(jì)算式，代入式（2）得到變截面塔架頂端水平位移的理論計(jì)算公式.在校核設(shè)計(jì)安全性時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，塔架許用撓度應(yīng)控制在塔架總高度的0.5%～0.7%［11］.

上述理論計(jì)算方法是一種簡化計(jì)算方法，不僅過程繁瑣，效率低，且計(jì)算值與實(shí)際值之間的差異較大.隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研究者更多地使用ANSYS等有限元分析軟件進(jìn)行電算研究，理論計(jì)算結(jié)果則提供了驗(yàn)證模型合理性與計(jì)算結(jié)果可靠性的重要參考依據(jù).有限元靜力分析發(fā)現(xiàn)塔架上應(yīng)力分布并非是均勻的，沿風(fēng)向兩側(cè)由風(fēng)載引起的彎曲應(yīng)力較大，若考慮塔底開門洞，會(huì)改變局部截面尺寸，影響結(jié)構(gòu)整體性，計(jì)算結(jié)構(gòu)中塔頂端位移及底部應(yīng)力都有一定增加，因此在風(fēng)力機(jī)塔架建模時(shí)應(yīng)按實(shí)際情況考慮.

2.2動(dòng)力分析

風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的荷載條件十分復(fù)雜，而塔架的柔性特征會(huì)使結(jié)構(gòu)對動(dòng)荷載作用格外敏感，因此在滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度要求的前提下，需要對塔架進(jìn)行動(dòng)力分析.

動(dòng)力分析是用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起著重要作用時(shí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動(dòng)力學(xué)特性的技術(shù)，核心是通過模態(tài)分析得到塔架的固有頻率和振型，即動(dòng)態(tài)特性［12］.通過模態(tài)分析，掌握塔架的固有頻率就可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度避免與外部激勵(lì)荷載頻率接近而發(fā)生共振，進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的數(shù)據(jù)，掌握相鄰結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系和系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)特性，為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供依據(jù).動(dòng)力分析的理論基礎(chǔ)是動(dòng)力學(xué)方程：

式中：M為塔架的質(zhì)量矩陣；C為塔架的阻尼矩陣；K為總體剛度矩陣；u為節(jié)點(diǎn)位移；F為塔架受的外力.

動(dòng)態(tài)特性的分析方法一般可分為3類：

1）由機(jī)械能守恒定律推演而來的瑞利法，將塔架模型視作頂端作用荷載的懸臂梁結(jié)構(gòu)，對前3階振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行較為精確的估算.瑞利法是塔架固有頻率的經(jīng)典計(jì)算方法，邊界條件要求簡單，計(jì)算簡便，可以滿足一般工程計(jì)算的需要［13］.

2）模態(tài)疊加法由國外研究者提出［14］，現(xiàn)已成為模態(tài)分析中的常用方法，它利用結(jié)構(gòu)的前幾階主模態(tài)構(gòu)成坐標(biāo)變換矩陣Φ進(jìn)行變換，建立以模態(tài)坐標(biāo)為基本未知量的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：m為模態(tài)質(zhì)量矩陣；k為模態(tài)剛度矩陣；q為模態(tài)坐標(biāo)；Fm為模態(tài)激振力.通過恰當(dāng)選擇Φ變換，使新坐標(biāo)q具有解耦性質(zhì).

該方法可以用較少的自由度模擬塔架的動(dòng)態(tài)行為，簡化計(jì)算，但精度較低.

3）有限元法是利用有限元原理及計(jì)算機(jī)技術(shù)對模態(tài)疊加法的改進(jìn)，在多自由度空間中考慮了離散分布的質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，并借助大型有限元軟件提升了計(jì)算的精度，是動(dòng)態(tài)分析領(lǐng)域的主流方法.

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，動(dòng)力分析還包括了諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析和顯示動(dòng)力學(xué)分析，不同的分析類型對應(yīng)求解（3）式不同形態(tài)的方程.

與靜力分析中的簡化力學(xué)模型不同，結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的響應(yīng)模式較難有統(tǒng)一的建模參考.一方面，固有頻率和主振型是結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的自然屬性，因此塔架結(jié)構(gòu)形式的變化會(huì)影響塔架動(dòng)力特性分析的計(jì)算結(jié)果.例如，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)影響扭轉(zhuǎn)自振頻率的計(jì)算，如果要求計(jì)算較高精度的高階自振頻率，可將機(jī)倉的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量簡化為作用在塔架頂端節(jié)點(diǎn)上的集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量［15］.在塔架設(shè)計(jì)的將來，針對門洞、連接法蘭、變壁厚、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)變型的精細(xì)化建模分析會(huì)逐漸成為重要的研究方向.

另一方面，對激勵(lì)荷載不同的加載處理，也會(huì)影響動(dòng)力分析的結(jié)果.

共振分析時(shí)，多數(shù)研究者考慮了風(fēng)輪葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)對塔架振動(dòng)的激勵(lì)作用［16］，由于風(fēng)輪是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中最大的運(yùn)動(dòng)體，而通過頻率是其主要的周期荷載，因而這一方法可滿足一般工程設(shè)計(jì)的需要.進(jìn)一步研究風(fēng)輪的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程對塔架的動(dòng)力學(xué)影響，可建立風(fēng)力機(jī)葉片和塔架的耦合動(dòng)力學(xué)模型來模擬整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，采用模態(tài)綜合法，對兩部分進(jìn)行耦合求解［17］，耦合分析法的計(jì)算結(jié)果更加逼近現(xiàn)實(shí)工況，分析過程也相對繁瑣.除了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)、變槳及偏航控制機(jī)構(gòu)等的運(yùn)行同樣會(huì)產(chǎn)生動(dòng)荷載，針對不同的研究需求，分析結(jié)構(gòu)在特定激振荷載條件動(dòng)態(tài)特性，能夠幫助完善塔架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).

風(fēng)荷載作用由風(fēng)場條件決定，與機(jī)械荷載相比，隨機(jī)性明顯，表現(xiàn)形式更復(fù)雜，因此增大了荷載模擬的難度.顯然，此問題的解決，必然是多學(xué)科方法綜合應(yīng)用的結(jié)果，近些年來，隨著與風(fēng)電場關(guān)聯(lián)的力學(xué)［18］、環(huán)境科學(xué)［19］等的發(fā)展，國內(nèi)外研究者對完善塔架力學(xué)模型進(jìn)行了許多具有創(chuàng)新性的探索，提出了考慮風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)彈性力學(xué)耦合的設(shè)計(jì)模型［20］.在對風(fēng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，一些研究以隨機(jī)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立風(fēng)能參數(shù)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)行相應(yīng)的頻域動(dòng)態(tài)分析［21］，這一方法在過去被工程與研究領(lǐng)域大量使用，優(yōu)點(diǎn)是簡化了隨機(jī)風(fēng)場模型，使得計(jì)算效率大大提高，缺點(diǎn)是無法充分考慮隨機(jī)風(fēng)場的非線性特征，尤其是風(fēng)力機(jī)塔架這類高聳結(jié)構(gòu)，因復(fù)雜氣象導(dǎo)致的瞬時(shí)非穩(wěn)態(tài)荷載所產(chǎn)生的非線性響應(yīng)現(xiàn)象不應(yīng)被忽視.時(shí)域分析是解決這一問題的主要思路，方法眾多，小波變換是其中適用性較好的一種代表方法，受各國研究者重視，Thai-Hoa［22］于2015年提出以降階wavelet-Galerkin（WG）方法可將耦合、非線性微分方程分解為小波域內(nèi)的隨機(jī)代數(shù)方程進(jìn)行求解，并通過仿真數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了其理論的可行性與實(shí)用性.目前對非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過程的數(shù)值分析方法的研究還在繼續(xù)，新方法層出不窮，舊方法的適用性及計(jì)算效率都有待提高.

3　塔架屈曲特性

錐筒式風(fēng)力機(jī)塔架所使用的細(xì)長圓柱薄殼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用的各個(gè)領(lǐng)域，這類結(jié)構(gòu)在受壓時(shí)，常發(fā)生整體或局部的失穩(wěn)破壞，因此其承載力往往取決于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對其屈曲強(qiáng)度的可靠預(yù)測一直為人們所關(guān)注［23］.總結(jié)目前以風(fēng)力機(jī)塔架為對象的屈曲特性研究，可將分析方法概括為理論計(jì)算、工程計(jì)算與有限元計(jì)算三種.

細(xì)長桿件穩(wěn)定性的理論研究歷史悠久，16世紀(jì)瑞士科學(xué)家歐拉（L.Euler）提出了壓桿彈性穩(wěn)定問題，并給出了著名的求解如圖4小撓度下線性屈曲臨界荷載的歐拉公式（5）［10］，至今仍是解決細(xì)長或薄壁構(gòu)件屈曲穩(wěn)定性問題的重要理論基礎(chǔ).

式中μ為長度因數(shù)，其值由桿端約束情況決定.

圖4　壓桿臨界受力示意圖Fig.4 Critical force diagram of compressive bar

風(fēng)力機(jī)塔架的體型屬于長圓柱殼，適用歐拉屈曲模式進(jìn)行理論計(jì)算，先由彎曲變形的微分公式導(dǎo)出相應(yīng)約束條件的歐拉公式，并保證屈曲臨界應(yīng)力小于比例極限.也有如文獻(xiàn)［23］，應(yīng)用彈性穩(wěn)定性理論中的能量準(zhǔn)則［24］計(jì)算臨界壓力，最終推導(dǎo)出的公式與文獻(xiàn)［10］中一端固定、一端自由約束條件下的等截面壓桿歐拉公式相同.然而，實(shí)際算例結(jié)果表明，歐拉算法得到的屈曲臨界荷載遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)實(shí)際抗屈曲強(qiáng)度，這是由經(jīng)典彈性穩(wěn)定性理論小變形、等截面以及忽略初始缺陷等理想假設(shè)與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)存在較大差異造成的，影響了設(shè)計(jì)的安全性，無法被廣泛應(yīng)用.

為彌補(bǔ)理論算法的不足，簡化計(jì)算過程，以滿足工程設(shè)計(jì)的需要，各國規(guī)范給出了以大量軸壓圓柱殼屈曲穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合薄壁圓柱殼的線性屈曲理論構(gòu)建了風(fēng)力機(jī)塔架屈曲分析的工程計(jì)算方法.其中，英國Eurocode3 1-6［25］及德國DIN18800-4［26］是目前塔架穩(wěn)定性分析應(yīng)用較多的2份標(biāo)準(zhǔn).兩者有著相似的組織架構(gòu)、理論基礎(chǔ)、計(jì)算過程以及工程解釋，主要差別在于，前者加入了制造公差質(zhì)量等級概念，根據(jù)初始缺陷幅值將圓柱殼分成A，B，C三級制造質(zhì)量，并與計(jì)算公式緊密結(jié)合，通過參數(shù)變化體現(xiàn)了質(zhì)量要求對計(jì)算結(jié)果的影響［27］，而后者的計(jì)算過程相對簡化［28］.以此為基礎(chǔ)，2010年GL規(guī)范［29］針對塔架開門洞和分段制造、法蘭連接的設(shè)計(jì)，對工程算法進(jìn)行了改進(jìn).

隨著風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，塔架門洞、門框形式漸趨于多樣化，使得某些經(jīng)驗(yàn)算法已不再適用.因此，在塔架屈曲設(shè)計(jì)分析實(shí)踐中，有限元等數(shù)值分析方法應(yīng)運(yùn)而生［30］.以ANSYS軟件為例，程序提供了2種進(jìn)行屈曲分析的方法：線性（特征值）屈曲分析和非線性屈曲分析.線性屈曲分析即傳統(tǒng)的理想線彈性屈曲分析方法，其求解思路是根據(jù)內(nèi)力分布的計(jì)算結(jié)果構(gòu)造幾何剛度矩陣，代入增量有限元平衡方程：

式中：K0為單元的彈性剛度矩陣；Kσ為單元的初應(yīng)力剛度矩陣；Kε為單元的初應(yīng)變剛度矩陣；Δue為節(jié)點(diǎn)位移增量向量.

得到線性穩(wěn)定控制方程：

通過求解式（7）的廣義特征值得到臨界屈曲載荷與參考載荷P的比值［31］.

然而，實(shí)際結(jié)構(gòu)中不可忽視的非線性因素使得線性分析方法對屈曲極限載荷往往產(chǎn)生過于樂觀的預(yù)計(jì)，影響了結(jié)構(gòu)的安全與可靠，因此，在設(shè)計(jì)與分析過程中應(yīng)該考慮幾何非線性和失穩(wěn)前應(yīng)力狀態(tài)的影響［32］.非線性屈曲分析中通過不斷更新剛度矩陣來考慮非線性效應(yīng)，并提取線性屈曲分析結(jié)果作為幾何缺陷條件，通過逐漸加載直至最大荷載的非線性靜力分析方法得到失穩(wěn)臨界載荷，既考慮了變形對平衡方程的影響，又采用了非線性變形幾何關(guān)系，可以得到更精確的屈曲載荷［33］.

不論采用何種數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行非線性屈曲分析，都需要解決大撓度非線性建模與非線性代數(shù)方程求解兩個(gè)重要問題［34］，前者將研究前沿從幾何非線性問題引入物理非線性層面以及幾何、荷載混合缺陷對結(jié)構(gòu)的影響等，而后者則促進(jìn)了有限元領(lǐng)域的發(fā)展，一些國外學(xué)者引入模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等新興學(xué)科提出多種新型計(jì)算方法.

4　塔架疲勞特性

近年來，各地風(fēng)場出現(xiàn)了多起風(fēng)力機(jī)倒塌造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的事故，分析表明，結(jié)構(gòu)疲勞引起的斷裂破壞是這些事故主要原因，因此，疲勞特性分析是塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié).

圖5　疲勞壽命分析流程圖Fig.5 Flow chart of the fatigue life analysis

結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)由靜動(dòng)力分析得到，結(jié)合疲勞荷載譜，可以求解相應(yīng)位置的疲勞應(yīng)力譜.疲勞荷載由周期荷載與隨機(jī)荷載組成，前者主要由葉輪偏心、塔影效應(yīng)、風(fēng)力剪切等產(chǎn)生，而后者多為隨機(jī)風(fēng)荷載作用，其中，隨機(jī)荷載因其在時(shí)間與空間上的無規(guī)律，給編制荷載譜造成了困難，是解決疲勞問題的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié).文獻(xiàn)［35］在對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架的疲勞分析中，應(yīng)用線性波理論模擬非規(guī)則的海浪，分析作用在圓筒型塔架上的波浪載荷，建立了波浪力的分析模型，應(yīng)用數(shù)值方法對隨機(jī)風(fēng)載荷和波浪載荷作用下的塔架動(dòng)力響應(yīng)與疲勞壽命問題進(jìn)行了分析.該研究根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，近似地模擬不規(guī)則荷載的作用，是目前提取隨機(jī)荷載譜的重要手段，具有一定代表性，對陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)同樣具有參考價(jià)值.文獻(xiàn)［36］基于MCMC（馬爾可夫鏈蒙特卡洛）理論建立了風(fēng)速的預(yù)測模型，并應(yīng)用POT（超定量法）外推理論對載荷譜進(jìn)行了有效的極值載荷推斷，得到了更為符合風(fēng)場實(shí)測數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果. 2015年韓國研究者［37］根據(jù)馮卡門各向同性湍流模型及威布爾分布理論構(gòu)建了小型風(fēng)力機(jī)復(fù)合葉片的疲勞分析模型，通過非線性回歸分析得到了以威布爾分布型參數(shù)K與尺度參數(shù)C為變量的二階回歸方程，并根據(jù)對方程的敏感性分析了威布爾參數(shù)對疲勞壽命預(yù)測的影響.這類研究普遍是通過改進(jìn)或革新數(shù)學(xué)模型提高了對隨機(jī)荷載模擬的準(zhǔn)確性，但是荷載譜編制過程及隨機(jī)模型計(jì)算方法仍需簡化推廣，待進(jìn)一步研究.

疲勞損傷是指結(jié)構(gòu)在超過疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)作用下，從微觀裂紋到宏觀裂紋并最終引起破壞的發(fā)展過程.通過對疲勞荷載譜的分析，將持續(xù)作用在結(jié)構(gòu)上的疲勞荷載離散為眾多荷載循環(huán)步，每一次循環(huán)都會(huì)給材料造成一定的損傷，依據(jù)損傷積累理論，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，損傷量被累積，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞.國內(nèi)外研究者提出了多種損傷積累理論，分為線性與非線性兩大類，線性理論將各個(gè)循環(huán)步視作相互獨(dú)立，進(jìn)行累加計(jì)算，而非線性理論則需要考慮材料上不同點(diǎn)之間、不同時(shí)間步之間相互的影響.疲勞損傷積累理論的發(fā)展經(jīng)歷了線性疲勞積累理論、修正的線性疲勞積累理論和非線性疲勞積累理論三個(gè)過程.

1999年，美國學(xué)者Herbert J.Sutherland［38］基于線性疲勞損傷累積理論和S—N曲線對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了壽命預(yù)測.2012年，國內(nèi)學(xué)者由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了塔架鋼材的S—N曲線，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)了塔架載荷譜，使用線性Miner理論完成了風(fēng)機(jī)塔架的壽命評估［39］.線性疲勞積累理論在應(yīng)用與發(fā)展的過程中，其在時(shí)空概念上過于理想的獨(dú)立性假設(shè)導(dǎo)致的壽命預(yù)測偏差問題暴露出來，一些修正的線性積累理論隨之提出，其中，文獻(xiàn)［40］認(rèn)為風(fēng)力機(jī)工作工況復(fù)雜，不宜直接應(yīng)用Miner法則，提出了兩級疲勞損傷累積法，依次進(jìn)行單工況級和總工況級的損傷累積對線性計(jì)算進(jìn)行修正.該研究在國內(nèi)具有突破性和代表性，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了所提出的經(jīng)過修正的線性損傷模型，然而，由于缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到的荷載譜，無法全面反映風(fēng)力機(jī)所在工況的疲勞荷載情況，有待進(jìn)一步深入研究.

國外學(xué)者的研究認(rèn)為線性理論不僅不適用于金屬材料，也被證明不適用于復(fù)合材料［41］，這一結(jié)論得到了學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，促使如非線性理論、雙線性理論以及能量法等新的損傷積累模型的提出.一些學(xué)者利用風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，提出了計(jì)算風(fēng)力機(jī)葉片疲勞載荷的新方法［42-32］，這種方法在保證精度的前提下有效降低了獲取葉片疲勞載荷的復(fù)雜性，研究了疲勞損傷的非線性特性.然而，大多數(shù)創(chuàng)新模型因計(jì)算過程的復(fù)雜和分析方法的不成熟，而長期停留在理論研究的階段，仍待后續(xù)研究進(jìn)行改良與定型.

上述線性或非線性疲勞壽命預(yù)測方法的原理及應(yīng)用都是在數(shù)值計(jì)算范圍內(nèi)進(jìn)行的，然而，科學(xué)研究尤其是工程問題的研究，實(shí)驗(yàn)是直接有效的手段.21世紀(jì)初，愛爾蘭人將實(shí)驗(yàn)引入了風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)分析過程，對隨機(jī)采樣獲得的風(fēng)載荷與風(fēng)力機(jī)塔架的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系進(jìn)行了全面分析［43］.依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對數(shù)值計(jì)算過程進(jìn)行修正，完善了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論，而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的局限也影響了成果的適用性，但這一方法仍然值得思考和借鑒.同一時(shí)期，清華大學(xué)的研究者搭建了一個(gè)模擬風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)研究模擬風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)，研究其疲勞損傷過程，彌補(bǔ)了純理論分析在實(shí)際應(yīng)用上的不足［44］.近期，美國的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合3D打印技術(shù)制作了風(fēng)力機(jī)模型，并進(jìn)行了一系列風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了葉片不同攻角及扭轉(zhuǎn)動(dòng)作對臨界與超界流體狀態(tài)下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響［45］.這一研究，進(jìn)一步發(fā)展了風(fēng)力機(jī)動(dòng)力及疲勞特性的實(shí)驗(yàn)研究方法，融合了不同工業(yè)門類前沿技術(shù)，對柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與未來3D打印成型技術(shù)進(jìn)行了超前研究，具有一定的開拓性，而國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域未見有類似研究出現(xiàn)，也缺少針對性的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，值得投入更多的關(guān)注.

5　結(jié) 論

1）現(xiàn)階段，風(fēng)力機(jī)塔架的設(shè)計(jì)仍以錐筒型為主，但隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，風(fēng)場條件趨于多樣化，相關(guān)制造工藝與材料科學(xué)不斷進(jìn)步，可以預(yù)見如柔性塔架及混合型塔架等新型塔架結(jié)構(gòu)形式會(huì)逐漸投入使用.

2）靜動(dòng)態(tài)特性分析仍是當(dāng)前研究領(lǐng)域的主流與前沿，尤其是動(dòng)力學(xué)問題的發(fā)展，已經(jīng)突破舊有理論與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的限制，向隨機(jī)荷載條件、材料非線性行為以及多體耦合問題發(fā)展.

3）實(shí)踐證明，Eurocode 31-6和DIN18800-4兩部標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過修訂與補(bǔ)充后已經(jīng)能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需要，對塔架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析具有指導(dǎo)作用.

根據(jù)人才培養(yǎng)方案及課程標(biāo)準(zhǔn)，希望學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)，能夠正確認(rèn)識艦艇環(huán)境因素與人體健康的關(guān)系，進(jìn)一步強(qiáng)化預(yù)防為主的理念，了解海軍衛(wèi)生學(xué)在海軍建設(shè)中的重要作用，樹立衛(wèi)生學(xué)是維護(hù)和提高部隊(duì)作戰(zhàn)（作業(yè)）能力的重要保障這一專業(yè)信念，掌握發(fā)現(xiàn)和解決部隊(duì)平戰(zhàn)時(shí)各種衛(wèi)生學(xué)問題必需的基礎(chǔ)知識及技能，為今后從事軍事醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的工作，尤其是開展海軍衛(wèi)生學(xué)工作打下良好基礎(chǔ)。

4）疲勞壽命預(yù)測的2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是編制疲勞荷載譜與建立損傷積累模型，前者與結(jié)構(gòu)選型和靜動(dòng)態(tài)特性分析環(huán)節(jié)發(fā)生交叉，后者則圍繞非線性、模型化等關(guān)鍵問題成為該領(lǐng)域的主要研究發(fā)展方向.

5）實(shí)驗(yàn)研究能夠解決數(shù)值分析方法在處理復(fù)雜流體環(huán)境以及高周疲勞構(gòu)件壽命理論預(yù)測結(jié)果驗(yàn)證的難題.國外研究證明，將大氣觀測數(shù)據(jù)和平臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于理論計(jì)算與分析，能夠顯著提高分析效率.

［1］中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì).2014年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)［J］.風(fēng)能，2015（2）：36-49.

Chinese Wind Energy Association.China's wind power installed capacity in 2014［J］.Wind Energy，2015（2）：36-49.

［2］芮曉明，柳亦兵，馬志勇.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：152-153.

RUI Xiao-ming，LIU Yi-bing，MA Zhi-Yong.Wind turbine design［M］.Beijing：China Machine Press，2010：152-153.

［3］孫曉穎.風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)選型研究［EB/OL］.［2013-02-07］.http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/ 201302-190.

SUN Xiao-ying.Structure from selections of wind turbine towers［EB/OL］.［2013-02-07］.http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201302-190.

［4］單蕾.風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)選型與受力性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，2009：16-23.

SHAN Lei.Structural performance and design of wind turbine towers［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，School of Civil Engineering，2009：16-23.

［5］TRACY L，TOM C.A new tower technology for reducing cost of energy［J］.North American Wind Power，2005，48（4）：48-53.

［6］姜順先，王存堂，于浩源.格構(gòu)式鋼管混凝土風(fēng)力發(fā)電塔架設(shè)計(jì)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，31（2）：202-205.

JIANG Shun-xian，WANG Cun-tang，YU Hao-yuan. Design of wind turbine tower using lattice concrete-filled steel tube［J］.Journal of Liaoning Technical University（Natural Science），2012，31（2）：202-205.

［7］中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求：JB/T 10300-2001［S］.北京：中國機(jī)械工業(yè)出版社，2001：33-35.

China Machinery Industry Federation.Wind turbine generator system：design requirements：JB/T10300-2001［S］.Beijing：China Machinery Industry Press，2001：33-35.

［8］宋曦，戴建鑫.水平軸風(fēng)力機(jī)塔架的力學(xué)建模及ANSYS仿真分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（1）：91-95.

SONG Xi，DAI Jian-xin.Mechanical modeling and ANSYS simulation analysis of horizontally axial wind turbine tower［J］.Journal of Gansu Sciences，2011，23（1）：91-95.

［9］蔡新，孫文俊.結(jié)構(gòu)靜力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2003：51-55.

CAI Xin，SUN Wen-jun.Mechanics of structures［M］. Nanjing：Hohai University Press，2003：51-55.

［10］徐道遠(yuǎn).材料力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2006：107-111.

XU Dao-yuan.Mechanics of materials［M］.Nanjing：Hohai University Press，2006：107-111.

［11］斯建龍，涂剛，沈風(fēng)亞，等.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架頂端的水平位移的計(jì)算［J］.能源工程，2009，134（2）：28-30.

SI Jian-long，TU Gang，SHENG Feng-ya，et al.Horizontal displacement calculation of the top of large-scale wind turbine tower［J］.Energy Engineering，2009，134（2）：28-30.

［12］黃文怡，梁波，代洪慶，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及動(dòng)力學(xué)分析［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（3）：30-33.

HUANG Wen-yi，LIANG Bo，DAI Hong-qing，et al.A-nalysis for wind turbine tower strength，stability and dynamics［J］.Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University，2010，22（3）：30-33.

［13］李立本.風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999：135-147.

LI Li-ben.Dynamics of wind turbine structure［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，1999：135-147.

［14］BURTON T，SHARPE D，JENKINS N，et al.Wind energy handbook［M］.Chichester：John Wiley &Sons，2001：453-464.

［15］陸萍，秦惠芳，欒芝云.基于有限元法的風(fēng)力機(jī)塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（9）：127-130.

LU Ping，QIN Hui-fang，LUAN Zhi-yun.Dynamic analysis of tower structure for wind turbine based on finite element method［J］.Journal of Mechanical Engineering，2002，38（9）：127-130.

［16］劉林.水平軸風(fēng)力發(fā)電塔架的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.南京：河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，2013：39-52.

LIU Lin.The finite element analysis and design optimization of the cone-type wind tower［D］.Nanjing：Hohai University，College of Mechanics and Materials，2013：39-52.

［17］劉雄，張憲民，陳嚴(yán)，等.水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2009，30（6）：804-809.

LIU Xiong，ZHANG Xian-min，CHEN Yan，et al. Structure dynamic response analysis of horizontal axis wind turbines［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2009，30（6）：804-809.

［18］WANG J H，QIN D T，LIM T C.Dynamic analysis of horizontal axis wind turbine by thin-walled beam theory［J］. Journal of Sound and Vibration，2010，329（17）：3565-3586.

［19］LI Y，CASTRO A M，SINOKROT T，et al.Coupled multi-body dynamics and CFD for wind turbine simulation including explicit wind turbulence［J］.Renewable Energy，2015，76（4）：338-361.

［20］CARRIóN M，STEIJL R，WOODGATE M，et al.Aeroelastic analysis of wind turbines using a tightly coupled CFD-CSD method［J］.Journal of Fluids and Structures，2014，50（26）：392-415.

［21］BIERBOOMS W，CHENG E W.Stochastic gust model for design calculations of wind turbines［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2002，90（11）：1237-1251.

［22］LE T H，CARACOGLIA L.Reduced-order wavelet-Galerkin solution for the coupled nonlinear stochastic response of slender buildings in transient winds［J］. Journal of Sound and Vibration，2015，344（22）：179-208.

［23］戴建鑫.風(fēng)力機(jī)塔架的有限元建模及靜動(dòng)態(tài)特性分析［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)理學(xué)院，2011：37-45.

DAI Jian-xin.Finite element modeling and analysis of static and dynamic characteristics of wind turbine tower［D］.Lanzhou：Lanzhou University of Technology，College of Science，2011：37-45.

［24］鐵摩辛柯S P，蓋萊J M.彈性穩(wěn)定理論［M］.張福范，譯.北京：科學(xué)出版社，1965：87-100.

TIMOSHENKO S P，GERE J M.Theory of elastic stability［M］.Translated by ZHANG Fu-fan.Beijing：Beijing Science Press，1965：87-100.

［25］CEN.Strength and stability of shell structures：Eurocode3 1-6［S］.Brussels：European Committee for Standardisation，2004：30-40.

［26］Section 08of the Building and Civil Engineering Standards Committee，German Committee for Structural Steelwork.Part 4：structural steelwork analysis of safety against buckling of shells：DIN18800［S］.Berlin：Building and Civil Engineering Standards Committee，1990：2-16.

［27］趙陽，滕錦光.軸壓圓柱鋼薄殼穩(wěn)定設(shè)計(jì)綜述［J］.工程力學(xué)，2003，20（6）：116-126.

ZHAO Yang，TENG Jin-guang.Stability design of axially compressed thin steel cylindrical shell［J］.Engineering Mechanics，2003，20（6）：116-126.

［28］王露.Eurocode3 1-6與DIN18800-4在風(fēng)電機(jī)組塔架屈曲分析中的對比研究［J］.風(fēng)能，2013（12）：108-112.

WANG Lu.Contrast research of Eurocode3 1-6and DIN18800-4in wind turbine tower buckling analysis［J］.Wind Energy，2013（12）：108-112.

［29］LLOYD G.Part 1：guideline for the certification of wind turbines：GL Wind 2010Ⅳ［S］.Hamburg：Gemanische Lloyd Wind Energie GmbH，2010：220-223.

［30］趙世林，李德源，黃小華.風(fēng)力機(jī)塔架在偏心載荷作用下的屈曲分析［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2010，31（7）：901-906. ZHAO Shi-lin，LI De-yuan，HUANG Xiao-hua.Bucking analysis of wind turbine tower under eccentric loading［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2010，31（7）：901-906.

［31］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：221-250.

WANG Xu-cheng.Finite element method［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2003：221-250.

［32］梅毅，曲建俊，許明偉.垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架穩(wěn)定性研究：第十屆全國風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)年會(huì)論文集［C/OL］.［2015-09-20］.〗http：//xueshu.baidu.com/s？wd=paperuri%3A%28abd0988a27ba66253888afec66e442dd% 29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_ 2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Fwww.docin. com%2Fp-1345669189.html&ie=utf-8.

MEI Yi，QU Jian-jun，XU Ming-wei.The study of vertical axis wind turbine tower stability：the tenth Session of National Wind Energy Application Technology Conference Proceedings［C/OL］.［2015-09-20］.http：// xueshu.baidu.com/s？wd=paperuri%3A% 28abd0988a27ba66253888afec66e442dd%29&filter=sc _long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl =http%3A%2F%2Fwww.docin.com%2Fp-1345669189.html&ie=utf-8.

［33］唐瑞宏，湯赫男，許增金，等.兆瓦級風(fēng)力機(jī)塔架的有限元非線性屈曲分析［J］.機(jī)械工程師，2015（1）：87-89. TANG Rui-hong，TANG He-nan，XU Zeng-jin，et al. Nonlinear buckling finite element analysis on MW wind turbine tower［J］.Mechanical Engineer，2015（1）：87-89.

［34］郭智.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架承載能力研究［D］.重慶：重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2014：29-41.

GUO Zhi.The study of load bearing capacity on the large wind turbine tower［D］.Chongqing：Chongqing U-niversity，College of Mechanical Engineering，2014：29-41.

［35］劉勝祥，李德源，黃小華.風(fēng)波聯(lián)合作用下的風(fēng)力機(jī)塔架疲勞特性分析［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2009，30（10）：1430-1436.

LIU Sheng-xiang，LI De-yuan，HUANG Xiao-hua.Fatigue characteristic analysis of the offshore wind turbine tower under combined wind and wave［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2009，30（10）：1430-1436.

［36］張建華.風(fēng)力機(jī)葉片疲勞壽命估算方法研究［D］.長春：吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，2013：7-35.

ZHANG Jian-hua.Fatigue life prediction of wind turbine blade［D］.Changchun：Jilin University，College of Mechanical Science and Engineering，2013：7-35.［37］YUN J J，CHAN W C，JANG H L，et al.Development of fatigue life prediction method and effect of 10-minute mean wind speed distribution on fatigue life of small wind turbine composite blade［J］.Renewable Energy，2015，79（1）：187-198.

［38］SUTHERLAND H J.On the fatigue analysis of wind turbines［M］.Albuquerque：Sandia National Laboratories，1999：5-9.

［39］王永玲.風(fēng)力機(jī)塔架優(yōu)化設(shè)計(jì)與疲勞分析［D］.大連：大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2012：53-56.

WANG Yong-ling.Optimization design and fatigue analysis for wind turbine tower［D］.Dalian：Dalian University of Technology，School of Mechanical Engineering，2012：53-56.

［40］岳勇.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械零部件抗疲勞設(shè)計(jì)方法的研究［D］.烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，2005：27-42.

YUE Yong.The research of the design method against fatigue for the mechanical components in wind turbines［D］.Urumchi：Xinjiang Agricultural University，College of Mechanical and Transportation，2005：27-42.

［41］MANDEL J F，SAMBORSKY D D，CAIRNS D S.Fatigue of composite materials and substructures for wind turbine blades［M］.Albuquerque：Sandia National La-boratories，2002：72-93.

［42］JAYANTHA A E，PHILIP D C.The development of a fatigue loading spectrum for small wind turbine blades［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2006，94（4）：207-223.

［43］MURTAGH P J，BASU B，BRODERICK B M.Alongwind response of a wind turbine tower with blade coupling subjected to rotationally sampled wind loading［J］.Engineering Structures，2005，27（8）：1209-1219.

［44］賈要勤.風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)用模擬風(fēng)力機(jī)［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2004，25（6）：735-739.

JIA Yao-qin.A wind turbine simulator for wind generation research［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2004，25（6）：735-739.

［45］SHRUTI L，YAHYA M S.Supercritical and subcritical dynamic flow-induced instabilities of a small-scale wind turbine blade placed in uniform flow［J］.Journal of Fluids and Structures，2015，54（2）：936-946.

Research summary of wind turbine tower structure

ZHANG Yu1，CAI Xin1，2，GAO Qiang1，DING Wen-xiang1
（1.College of Mechanics and Materials，Hohai University，Nanjing 211100，China；2.Coastal Development and Protection Synergy Innovation Center，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Tower as an important component of wind turbine structure system supports the quality of the upper structure，bears the dynamic load，and ensures the normal operation of wind turbine.Analysis of the tower structure was summarized to improve the design theory system of wind turbine structure.From the practical point of view，the key points，such as the selection of structure，static and dynamic characteristics，buckling characteristic and fatigue property were summarized based on the core of stiffness，strength，stability and anti-fatigue performance of wind turbine tower.Domestic and foreign achievements in different research stages of various fields were reviewed.At the same time，the research progress of hot spot issues designs，such as new type tower structure，random load dynamic analysis and nonlinear analysis of buckling and fatigue characteristic were introduced.After summarizing the research status of the above points，the principles and developing progress of related technologies were elaborated and the future research trend were predicted.The paper covers the main indexs of the wind turbine tower structure design and can provide guidance for the design and analysis of wind turbine tower.

wind turbine tower；structure selection；static and dynamic characteristics；Buckling characteristic；fatigue property

TK 83

A

1006-754X（2016）02-0108-08

10.3785/j.issn.1006-754X.2016.02.002

2015-10-26.本刊網(wǎng)址·在線期刊：http：//www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

江蘇高校首批2011“沿海開發(fā)與保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心”計(jì)劃項(xiàng)目（蘇政辦發(fā)［2013］56號）；南通市科技計(jì)劃引導(dǎo)專項(xiàng)（2013400303）.

張羽（1991—），男，江蘇徐州人，碩士，從事風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究，E-mail：hhu0904010217@163.com. http：//orcid.org//0000-0002-5121-2519

蔡新（1964—），男，江蘇啟東人，教授級高級工程師，博士生導(dǎo)師，博士，從事工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法應(yīng)用研究，E-mail：xcai@hhu.edu.cn.