全格構(gòu)風(fēng)機(jī)塔架頂部過渡段有限元分析

彭文兵

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海200092

引言

近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速區(qū)域的裝機(jī)量不斷攀升，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正不斷向大功率、大葉片、高塔架等方向發(fā)展，其中高塔架的發(fā)展尤為迅速。塔架作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的支撐結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)發(fā)展出三種典型的結(jié)構(gòu)形式：單管式鋼筒塔架、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架、格構(gòu)式塔架。

單管式鋼筒塔架由于具備結(jié)構(gòu)形式簡單、傳力明確、安裝維修方便、占地面積小等優(yōu)勢，應(yīng)用最為廣泛，幾乎占領(lǐng)了120m 高度以下的所有塔架市場。對于120m 及以上的塔架高度，傳統(tǒng)單管式塔筒塔架因運(yùn)輸限制難以加大底部塔筒直徑，部分設(shè)計(jì)人員通過優(yōu)化控制策略將塔架設(shè)計(jì)成剛度較小的柔性塔架；另一部分設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架和格構(gòu)式鋼塔架這兩種剛性塔架。由于柔塔的結(jié)構(gòu)剛度過小，對主機(jī)的振動控制要求過高，難以適應(yīng)塔架越來越高的需求；而預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土塔架的制作安裝工期較長、工業(yè)化程度較低、塔架基礎(chǔ)造價較高。格構(gòu)式鋼塔架有著結(jié)構(gòu)剛度大、運(yùn)輸方便、基礎(chǔ)造價低的優(yōu)勢，得到了越來越多的研究［1，2］。

在格構(gòu)式塔架設(shè)計(jì)過程中，與機(jī)艙相連的過渡鋼筒段為最重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之一。本文以某低風(fēng)速風(fēng)場的全格構(gòu)塔架設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)對全格構(gòu)塔架頂部過渡段的受力性能進(jìn)行分析。

1 過渡段設(shè)計(jì)與構(gòu)造

該全格構(gòu)風(fēng)機(jī)塔架輪轂高度為120m，底部0～115.7m標(biāo)高處為角鋼四邊形格構(gòu)段，由塔柱、斜桿、橫桿和橫隔組成，塔柱為四拼角鋼柱，115.7m～117.7m為過渡段，117.7m以上為風(fēng)機(jī)設(shè)備。過渡段與四邊形格構(gòu)段的連接三維示意見圖1。

圖1 過渡段示意Fig.1 Diagram of transition piece

如圖2 所示，本工程過渡段主體為上口直徑3180mm、下口直徑3322mm、高1730mm、固定壁厚的圓錐塔筒，底部在與四根塔柱中軸線相對的位置開有四個槽（寬250mm，高750mm），為施工安裝提供空間。過渡段頂部設(shè)置一個與風(fēng)機(jī)設(shè)備相連的鍛造法蘭（法蘭厚150mm，總高度270mm），過渡段與該鍛造法蘭通過對接焊縫連接。過渡段下方通過四塊折彎的連接板與四邊形格構(gòu)式塔架連接。過渡段和連接板鋼材強(qiáng)度為Q345，螺栓為10.9 級摩擦型高強(qiáng)螺栓。

圖2 過渡段基本尺寸Fig.2 Basic dimensions of transition piece

2 有限元分析

2.1 荷載工況與評價指標(biāo)

1.荷載工況

對過渡段分別進(jìn)行靜力極限荷載工況及疲勞荷載工況計(jì)算，荷載工況值根據(jù)主機(jī)廠家的荷載報告選取，分析時取117.7m 標(biāo)高處等效靜力荷載和等效疲勞荷載，如表1 所示，并分別按0°與45°兩個方向施加，其中等效疲勞荷載選用對焊縫疲勞起主導(dǎo)作用的My載荷分量。

表1 塔頂117.7m處等效靜力及疲勞荷載Tab.1 Equivalent static and fatigue loads at the top of the tower（117.7m）

2.評價指標(biāo)

（1）靜力分析。德國勞埃德（GL）認(rèn)證規(guī)范（以下簡稱GL規(guī)范）規(guī)定［3］，靜力極限荷載工況下結(jié)構(gòu)用Mises 應(yīng)力或最大剪應(yīng)力做評價指標(biāo)，允許結(jié)構(gòu)局部達(dá)到屈服應(yīng)力，但必須滿足該區(qū)域的塑性應(yīng)變值小于1.0%的限值。

（2）疲勞分析。等效疲勞荷載工況下取結(jié)構(gòu)最大第一主應(yīng)力變化幅作為結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力幅。GL規(guī)范規(guī)定疲勞驗(yàn)算應(yīng)滿足：

式中：γM為局部安全系數(shù)，根據(jù)GL 規(guī)范5.3.2.1 節(jié)和5.3.3.2.2 節(jié)，該過渡段驗(yàn)算取γM＝1.1 ×1.15 ＝1.265；容許疲勞應(yīng)力幅［Δσ］按歐洲規(guī)范EN1993-1-9：2005［4］確定。本文采用EN1993-1-9：2005 中名義應(yīng)力法驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)疲勞。按歐洲規(guī)范焊分類［4］，該過渡段對接焊縫磨平處理后屬于112 類。當(dāng)構(gòu)件厚度t＞tref＝25mm 時，應(yīng)進(jìn)行厚度修正，循環(huán)次數(shù)N＝107的疲勞容許應(yīng)力幅［Δσ］可由式（2）代入和m推算：

2.2 有限元模型

1.單元選取與網(wǎng)格劃分

計(jì)算分析采用ANSYS 有限元分析軟件，塔過渡段筒體、連接板、桁架桿、高強(qiáng)螺母件均采用solid185 單元，該單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變能力。高強(qiáng)螺桿選用梁單元beam188，其截面積為螺栓應(yīng)力截面積。接觸對設(shè)置中，分別選用targe170模擬目標(biāo)面，conta174 模擬接觸面。實(shí)體單元網(wǎng)格劃分需采用六面體單元［5］。過渡段有限元模型如圖3所示。

圖3 過渡段有限元模型Fig.3 Finite element model of transition piece

2.材料性能

計(jì)算采用雙線性理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為Von-Mises屈服準(zhǔn)則，流動法則與屈服準(zhǔn)則相關(guān)聯(lián)，采用隨動強(qiáng)化［6］。塔筒、螺栓屈服強(qiáng)度分別為345MPa、900MPa，彈性模量均為2.06 ×105MPa，泊松比0.3。接觸面法向接觸關(guān)系采用罰函數(shù)法，切向關(guān)系為摩擦系數(shù)，我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［7］規(guī)定Q345 鋼連接處構(gòu)件接觸面噴砂（丸）處理后摩擦系數(shù)可取0.5，因?yàn)樵撨^渡段摩擦接觸面較大，有限元分析過程中保守取0.45。

3.荷載施加

分析過程中，第一荷載步對螺桿施加預(yù)拉力，預(yù)拉力按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［7］取值，第二步將螺桿預(yù)拉力變形后長度鎖定，第三步施加靜力荷載或疲勞荷載。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

1.極限荷載工況

極限工況下，過渡段部分區(qū)域?qū)⑦M(jìn)入塑性階段，此處以過渡段筒壁厚度為參數(shù)，分析過渡段極限工況下的彈塑性性能。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，有限元分析時筒壁厚度取值范圍定為22mm～28mm，間隔2mm。圖4 是過渡段在0°和45°方向極限荷載作用下塑性總應(yīng)變隨筒壁厚度變化曲線。

圖4 塑性總應(yīng)變曲線Fig.4 Total plastic strain curve

圖4 顯示在所取的計(jì)算厚度范圍內(nèi)，過渡段的塑性總應(yīng)變均小于0.3%，未超過1.0%，滿足GL規(guī)范要求，并且0°方向塑性應(yīng)變小于45°方向。從變化趨勢上看，塑性應(yīng)變隨筒壁厚度的增大而減小，且變化趨勢基本呈線性。

圖5 為t＝22mm時0°方向極限荷載工況下過渡段Mises應(yīng)力云圖與塑性總應(yīng)變云圖。從圖5a中可知，過渡段整體應(yīng)力水平較小，基本在100MPa以下，過渡段最不利位置為與連接板相連螺栓開孔處，次不利位置為底部四個槽的周邊。最不利位置的產(chǎn)生是由于上部荷載經(jīng)由過渡段筒壁傳至連接板，最終傳遞至四拼角鋼柱，故筒壁上螺栓開孔區(qū)域傳力較為集中，此區(qū)域達(dá)到屈服強(qiáng)度進(jìn)入塑性階段，從圖5b中可見此區(qū)域最大塑性總應(yīng)變?yōu)?.274%。次不利位置的產(chǎn)生是由于底部開槽處截面形狀發(fā)生突變，使得該部分剛度降低，可以看到在荷載作用下此處向筒壁內(nèi)側(cè)彎曲，產(chǎn)生較大變形，該區(qū)域最大塑性總應(yīng)變?yōu)?.241%。

圖5 極限荷載作用下Mises 應(yīng)力及塑性總應(yīng)變Fig.5 Mises stress and total plastic strain under ultimate load

圖6 為t＝22mm 時0°方向極限荷載工況下過渡段連接板的螺栓應(yīng)力云圖及接觸面接觸狀態(tài)，從圖6 中可見螺栓最大應(yīng)力為880.241MPa，小于屈服強(qiáng)度900MPa，位于右側(cè)連接板的左上方螺栓。結(jié)合圖5a，該受力較大螺栓所對應(yīng)的筒壁區(qū)域，亦是筒壁達(dá)到屈服強(qiáng)度的區(qū)域，同時從圖6b中可見，該區(qū)域也是連接板與筒壁之間接觸面產(chǎn)生相對錯動的區(qū)域。除去該區(qū)域外，在筒壁與連接板其余的接觸面區(qū)域基本保持緊密接觸狀態(tài)。在高強(qiáng)螺栓間的部分接觸面存在滑動的情況，是由于筒壁為曲面，而螺母底面為平面，在有限元模擬中難以使其接觸面間的初始間隙完美閉合，兩者之間存在部分空隙，與實(shí)際情況有一定的區(qū)別。此外連接板與塔柱的接觸面區(qū)域全部保持緊密接觸狀態(tài)。綜上可以證明該種過渡段的結(jié)構(gòu)形式，可以有效地把上部荷載傳遞到下部格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)中去，并且在極限荷載作用下，塔柱與過渡段仍然通過連接板與高強(qiáng)螺栓保證有效的連接，具有足夠的承載能力。

圖6 極限荷載作用下螺栓Mises 應(yīng)力和連接板接觸情況Fig.6 Mises stress of bolts and contact status of connecting plates under ultimate load.

2.疲勞工況作用

等效疲勞荷載作用下，過渡段整體處于彈性階段。此處同樣以過渡段筒壁厚度為參數(shù)，分析過渡段在疲勞工況下的性能，重點(diǎn)關(guān)注過渡段中部環(huán)向焊縫（焊縫A）、過渡段頂部環(huán)向焊縫（焊縫B）以及縱向焊縫（焊縫C）的疲勞情況。圖7是焊縫分別在0°和45°方向疲勞荷載下乘以γM后的疲勞應(yīng)力幅隨厚度的變化曲線，其中［Δσ］表示容許疲勞應(yīng)力幅值曲線。

圖7 疲勞應(yīng)力幅曲線Fig.7 Fatigue stress range curve

圖7 顯示在相同方向疲勞荷載作用下，焊縫B的應(yīng)力大于焊縫A與焊縫C，在本過渡段節(jié)點(diǎn)中起控制作用，同位置焊縫疲勞應(yīng)力幅在45°方向疲勞工況作用下大于0°方向疲勞工況。從圖中可以看出，由于疲勞荷載作用下結(jié)構(gòu)材料始終處于彈性階段，因此隨著厚度變化，結(jié)構(gòu)焊縫的疲勞應(yīng)力幅呈明顯的線性變化。另外與容許疲勞應(yīng)力幅對比可知，過渡段筒壁焊縫等效疲勞應(yīng)力幅始終小于容許疲勞應(yīng)力幅［Δσ］，故疲勞荷載在本過渡段節(jié)點(diǎn)中不起控制作用。

3 結(jié)語

本文以某低風(fēng)速風(fēng)場的120m四邊形全格構(gòu)塔架設(shè)計(jì)為例，基于ANSYS有限元分析軟件對全格構(gòu)塔架頂部與機(jī)艙相連過渡段的受力性能進(jìn)行分析，包括極限工況和疲勞工況的分析，結(jié)果如下：

1.通過對于筒壁厚度參數(shù)化分析得到，極限荷載工況下，過渡段壁厚在22mm～28mm 范圍內(nèi)變化時，部分區(qū)域達(dá)到屈服強(qiáng)度，但塑性總應(yīng)變均小于1.0%。

2.由于過渡段連接部分大量采用螺栓連接的形式，僅有筒壁的環(huán)向及縱向兩道對接焊縫，兩道焊縫的損傷累計(jì)均較小，故該過渡段不受疲勞工況控制。