基于Workbench的風(fēng)機(jī)塔門強(qiáng)度分析及優(yōu)化

徐東杰，陳進(jìn)建，童躍平，黃文才，鄒淵士，趙佰余，朱斌輝

(華儀風(fēng)能有限公司，浙江 溫州 325000)

塔架是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，起到支撐整機(jī)、為風(fēng)輪提供足夠高度、為機(jī)組安全運(yùn)行提供保障的作用[1]。近年來，隨著風(fēng)機(jī)容量及塔架高度的增加，風(fēng)機(jī)載荷越來越大，如何設(shè)計(jì)出一款兼顧可靠性與經(jīng)濟(jì)性的塔架已成為各整機(jī)廠亟需解決的重要課題。塔門一般設(shè)于塔架近地面附近，便于運(yùn)維人員及設(shè)備進(jìn)出。作為塔架設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，合理的塔門結(jié)構(gòu)除需要有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，更要能夠緩解因局部形狀突變引發(fā)的應(yīng)力集中，使塔架滿足規(guī)范中有關(guān)強(qiáng)度及屈曲等方面的要求。

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)塔門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開了研究。Dimopoulos等[2]使用有限元法對(duì)4種不同加強(qiáng)方案的門洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出門洞的承載能力并沒有隨著塔門形式的復(fù)雜化而明顯加強(qiáng)的結(jié)論；孟令銳等[3]探討了門框厚度及其內(nèi)外定位尺寸對(duì)塔門應(yīng)力的影響，并使用遺傳算法對(duì)門框進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化；汪亞洲等[4]采用ANSYS軟件建立了門框的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并完成了危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)處的尺寸優(yōu)化；晏紅文等[5]基于Isight平臺(tái)，集成Pro/E和ABAQUS軟件，利用ASA模擬退火全局優(yōu)化算法對(duì)塔架門框進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化中考慮了部分門框的外形尺寸對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響；任瑞杰等[6]計(jì)算了四組塔壁/門框厚度尺寸組合下塔門的應(yīng)力，分析了各變量對(duì)門框極限應(yīng)力及其出現(xiàn)位置的影響，但忽略了塔門定位尺寸的影響。

本文借助Workbench平臺(tái)，基于GL2010風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]分析了某MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔門強(qiáng)度，全面考慮影響塔門應(yīng)力的各個(gè)幾何參數(shù)，采用Workbench的DesignXplorer模塊以塔門質(zhì)量及等效應(yīng)力最小為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后塔門安全性及經(jīng)濟(jì)性有了較大改善。

1 初始設(shè)計(jì)分析

1.1 有限元模型

基于Workbench對(duì)塔架門框初始設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析，采用圖1所示GL塔底坐標(biāo)系進(jìn)行建模，保守考慮將門框位置設(shè)在塔架迎風(fēng)面正前方。

圖1 GL2010塔架坐標(biāo)系

某MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架門框?yàn)闄E圓形門框，初始設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示，塔架梯子、平臺(tái)、電纜等內(nèi)附件以及混凝土地基對(duì)塔門強(qiáng)度的影響忽略不計(jì)。

采用Solid186高階單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并細(xì)化門框及其附近區(qū)域網(wǎng)格,劃分后的單元數(shù)量為399 918，節(jié)點(diǎn)數(shù)為750 099。

圖2 門框初始設(shè)計(jì)尺寸

1.2 材料性能

塔架主體采用Q355ND高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，法蘭及門框采用Q355NE高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，Q355ND和Q355NE的彈性模量均為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-9t/mm3。由 GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[8]可知其材料屬性，具體見表1。

表1 Q355ND與Q355NE上屈服強(qiáng)度最小值

1.3 載荷與邊界條件

對(duì)塔架底法蘭處節(jié)點(diǎn)的自由度進(jìn)行固定約束，加載點(diǎn)與該段塔架頂部進(jìn)行綁定連接，形成載荷傘，用于傳遞載荷。施加邊界條件后的塔架模型如圖3所示。

圖3 施加完邊界條件的塔架模型

通過風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)軟件Bladed提取塔底載荷，包括彎矩Mx和My、扭矩Mz、推力Fx和Fy、壓力Fz，在塔底加載最惡劣的彎矩極限工況載荷見表2。

表2 加載點(diǎn)施加的極限載荷

1.4 結(jié)果分析

根據(jù)上述加載和邊界條件計(jì)算得到應(yīng)力云圖如圖4所示，由圖可知，門橫板處最大等效應(yīng)力為231.07 MPa，門框焊縫處最大等效應(yīng)力為286.0 MPa。

圖4 塔架門橫板處極限工況應(yīng)力云圖

根據(jù)IIW規(guī)范[9]，焊縫位置的應(yīng)力需通過外推處理獲得，即通過焊縫兩側(cè)距離焊趾0.4倍鋼板厚度和1.0倍鋼板厚度位置的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力外推得到門框焊縫處應(yīng)力σhs，外推公式如下：

σhs=1.67σ0.4·t-0.67σ1.0·t

(1)

式中：σ0.4·t為距焊趾0.4倍鋼板厚度處的應(yīng)力分量，t為鋼板厚度；σ1.0·t為距焊趾1.0倍鋼板厚度處的應(yīng)力分量。

完成外推工作后得到門框焊縫處的各個(gè)應(yīng)力分量，將其合成等效應(yīng)力σe。等效應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：σz,σy,σz為正應(yīng)力分量；τxy,τyz,τzx為切應(yīng)力分量。

外推后門框焊縫處最大等效應(yīng)力為167.4 MPa。鋼板厚度為43 mm和46 mm時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度規(guī)定值不小于335 MPa。門框極限強(qiáng)度安全余量SME計(jì)算公式如下：

(3)

式中：ReH為材料屈服強(qiáng)度；γm為材料安全系數(shù)，取值1.1；σeqvmax為等效應(yīng)力的最大值。

經(jīng)計(jì)算，橫板處強(qiáng)度安全余量為30.8%，門框焊縫處強(qiáng)度安全余量為81.9%，滿足設(shè)計(jì)要求，且余量較大，可對(duì)塔門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 優(yōu)化模型建立

2.1 設(shè)計(jì)變量

通過分析得到影響塔門應(yīng)力的幾何設(shè)計(jì)變量，其取值范圍見表3，各變量位置如圖2所示。

表3 設(shè)計(jì)變量及取值范圍 單位：mm

2.2 約束條件

1)強(qiáng)度約束條件：門橫板和焊縫處的最大等效應(yīng)力不超過Q355NE鋼材許用應(yīng)力304.5 MPa。

2)優(yōu)化變量約束條件：見表3。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

Rn=(H,B,c,l,c,la,lb,l1,l2)

(4)

式中：R為有效解集；D為向量目標(biāo)函數(shù)；x為有效解；F(x)為等效應(yīng)力函數(shù)響應(yīng)值；G(x)為質(zhì)量函數(shù)響應(yīng)值。

3 響應(yīng)面模型

響應(yīng)面近似模型的構(gòu)建是通過一系列樣本點(diǎn)來確定近似函數(shù)中的待定參數(shù)，通過選取樣本點(diǎn)和迭代策略，來保證近似響應(yīng)函數(shù)能夠逼近真實(shí)的隱式響應(yīng)函數(shù)，可以與有限元分析結(jié)合起來對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[10](DOE)中樣本點(diǎn)的選取直接影響計(jì)算成本和響應(yīng)面精度。本文采用最優(yōu)空間填充設(shè)計(jì)法(OSF)，該方法隨機(jī)生成樣本點(diǎn)，設(shè)計(jì)空間更均勻，適合于復(fù)雜響應(yīng)面。

3.2 響應(yīng)面質(zhì)量

基于OSF實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，使用Kriging響應(yīng)面[11]，該類型響應(yīng)面能處理變化較劇烈的情況，常用驗(yàn)證點(diǎn)來評(píng)價(jià)精度。如圖5所示，縱軸為響應(yīng)面預(yù)測(cè)值，橫軸為設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算值。驗(yàn)證點(diǎn)和響應(yīng)面較為接近，散點(diǎn)基本位于45°線，故認(rèn)為響應(yīng)面質(zhì)量較好。

圖5 預(yù)測(cè)值與計(jì)算值散點(diǎn)圖

3.3 敏感性分析

門橫板處最大等效應(yīng)力與各設(shè)計(jì)變量的相關(guān)性如圖6所示，由圖可知，對(duì)門橫板處最大等效應(yīng)力影響最大的是負(fù)相關(guān)的門框厚度t，次之是正相關(guān)的門框長(zhǎng)度H。

圖6 門橫板處最大等效應(yīng)力敏感性分析結(jié)果

門框焊縫處最大等效應(yīng)力與各設(shè)計(jì)變量的相關(guān)性如圖7所示，由圖可知，對(duì)門框焊縫處最大等效應(yīng)力影響最大的是負(fù)相關(guān)的門框長(zhǎng)度H，次之是正相關(guān)的門框向外拉伸長(zhǎng)度lb。

圖7 門框焊縫處最大等效應(yīng)力敏感性分析結(jié)果

門框質(zhì)量與各設(shè)計(jì)變量的相關(guān)性如圖8所示，由圖可知，對(duì)門框質(zhì)量影響最大的是正相關(guān)的門框厚度t，次之是正相關(guān)的門框向外拉伸長(zhǎng)度lb。

圖8 門框質(zhì)量敏感性分析結(jié)果

3.4 響應(yīng)圖分析

基于敏感性分析結(jié)果，選取對(duì)門橫板處最大等效應(yīng)力和門框焊縫處最大等效應(yīng)力影響最大的兩個(gè)設(shè)計(jì)變量，使用響應(yīng)圖進(jìn)行分析。

圖9 t和H對(duì)門橫板處最大等效應(yīng)力影響

由圖9可以看出，當(dāng)門框長(zhǎng)度H在2 780.3～3 000.0 mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)門橫板最大等效應(yīng)力產(chǎn)生主要影響的是t，且呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

圖10 H和lb對(duì)門框焊縫處最大等效應(yīng)力影響

由圖10可以看出，當(dāng)門框長(zhǎng)度H在2 500.0～2 600.0 mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)門框焊縫處最大等效應(yīng)力產(chǎn)生主要影響的是門框長(zhǎng)度H，且呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

上述結(jié)論與敏感性分析的結(jié)論一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了響應(yīng)面的準(zhǔn)確性。

4 目標(biāo)優(yōu)化

首先使用Screening法找到近似優(yōu)化解，然后在此基礎(chǔ)上使用基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行全局最優(yōu)設(shè)計(jì)。多目標(biāo)優(yōu)化算法是基于Pareto最優(yōu)化理論的Tradeoff研究求出一系列含備選設(shè)計(jì)的集合，即帕累托前沿(Pareto Front)，帕累托前沿中的解不受前沿外的解所支配，擁有最少的目標(biāo)沖突，可提供一個(gè)較佳的選擇空間。

經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，得到部分最優(yōu)候選點(diǎn)，見表4，由表可知，候選點(diǎn)4的門框質(zhì)量最輕，且門橫板和門框焊縫處的應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過制造工藝評(píng)估，為避免焊縫熱影響區(qū)過近，門框直線段長(zhǎng)度需大于100 mm，故選擇候選點(diǎn)6為最優(yōu)候選點(diǎn)。

表4 最優(yōu)候選點(diǎn)

將候選點(diǎn)6的數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整，使用該設(shè)計(jì)變量配置下的門框圓整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果見表5。優(yōu)化后門框質(zhì)量減少了34.8%，門橫板的最大等效應(yīng)力降低了8.0%，門框焊縫外推的最大等效應(yīng)力降低了9.4%，門框強(qiáng)度安全余量提高了11.4%。優(yōu)化后的門框達(dá)到了降本的經(jīng)濟(jì)性要求，并滿足使用要求。

5 結(jié)論

本文使用有限元法對(duì)風(fēng)機(jī)塔架塔門進(jìn)行了強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到主要結(jié)論如下：

1)對(duì)門橫板處等效應(yīng)力最大值影響最大的是負(fù)相關(guān)的門框厚度t；對(duì)門框焊縫處等效應(yīng)力最大值影響最大的是負(fù)相關(guān)的門框長(zhǎng)度H；對(duì)門框質(zhì)量影響最大的是正相關(guān)的門框厚度t。

表5 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

2)優(yōu)化后的門框質(zhì)量減少了34.8%，門橫板處的最大等效應(yīng)力降低了8.0%，門框焊縫外推的最大等效應(yīng)力降低了9.4%，優(yōu)化效果顯著。

本文闡述的塔門分析及優(yōu)化方法易用、可靠，相關(guān)結(jié)論對(duì)塔門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。