風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒柔性連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

關(guān)媛媛　邢艷　劉大江

摘 要 文章探討風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒柔性連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)塔筒剛性連接結(jié)構(gòu)和柔性連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，對(duì)比分析數(shù)據(jù)，分析柔性連接的特點(diǎn)。結(jié)果表明，在基礎(chǔ)條件相同的情況下，柔性連接能減少焊接工序，降低由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余熱應(yīng)力，便于運(yùn)輸，同時(shí)提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性。因此采用Solidworks三維軟件對(duì)塔筒剛性連接結(jié)構(gòu)和柔性連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析是可行的，結(jié)果與工程實(shí)際一致，提出的意見(jiàn)可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 塔筒；柔性結(jié)構(gòu)；三維軟件；受力分析

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）06-0142-02

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒一般分為3-6段，高45 m-100 m。每段長(zhǎng)20 m-25 m，每段之間的鋼板滾制后通過(guò)焊接連接而成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒在工作過(guò)程中受到風(fēng)向不斷變化，機(jī)組受風(fēng)影響會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，塔筒的受力點(diǎn)在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口門，所以此段為塔筒的薄弱區(qū)域。因此為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，提高塔筒自身的可靠性，在設(shè)計(jì)塔筒結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分考慮塔筒的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)分析是一項(xiàng)重要的工作。

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒最下一段與上一段由焊接完成的連接，由于焊接結(jié)構(gòu)截面變化大，過(guò)渡區(qū)域較陡，圓角較小處容易引起較大的應(yīng)力集中，同時(shí)焊接過(guò)程避免不了的存在焊接參與熱應(yīng)力，而且焊接過(guò)程產(chǎn)生的焊縫，熱影響區(qū)等的顯微組織與板材的基體組織有著顯著差異，造成強(qiáng)度不夠，此區(qū)域在塔筒搖擺工作過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間受到拉伸與壓縮交變?cè)诤偷淖饔肹3]。殘余壓力會(huì)降低塔筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，交變載荷會(huì)造成塔筒結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞，最終會(huì)造成塔筒失效，同時(shí)如果風(fēng)速急劇增大，會(huì)對(duì)底端產(chǎn)生沖擊載荷，焊縫的組織屬于鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，如果在焊接后熱處理不當(dāng)會(huì)造成沖擊韌性性能不達(dá)標(biāo)而使塔筒斷裂。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)柔性連接結(jié)構(gòu)，目的是減少焊接工序，降低由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余熱應(yīng)力，便于運(yùn)輸，同時(shí)提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性?，F(xiàn)以2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒為例，應(yīng)用三維分析軟件對(duì)剛性和柔性兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，比較分析結(jié)果。

1 柔性連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒柔性連接結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。在最下端塔筒（序號(hào)1）與上一段塔筒（序號(hào)2）連接處的兩側(cè)設(shè)置外連接盤（序號(hào)3）和內(nèi)連接盤（序號(hào)4），外連接盤和內(nèi)連接盤與最下端塔筒通過(guò)螺栓連接，外連接盤和內(nèi)連接盤與上一段塔筒通過(guò)螺栓連接，最下段塔筒與上一段塔筒之間設(shè)有減振墊（序號(hào)5），在塔筒工作過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷可以通過(guò)塔筒的搖擺，在減振墊上消除這些載荷，同時(shí)此種連接方式可有效消除風(fēng)速突變塔筒搖擺產(chǎn)生的沖擊力，減輕對(duì)門框的壓力。

2 加載和求解

為了說(shuō)明柔性連接的優(yōu)點(diǎn)，建立兩種模型，一種是塔筒之間焊接，一種是塔筒之間柔性連接，見(jiàn)圖2，分別施加相同的約束和載荷，對(duì)比分析塔筒的危險(xiǎn)受力點(diǎn)和變形最大位置。分別以第六節(jié)塔筒為例，仿真分析受力情況。

1）塔筒焊接形式受力變形圖（見(jiàn)圖3，圖4）

圖1 柔性連接示意圖 圖2 柔性連接三維建模圖

圖3 焊接最大應(yīng)力示意圖

圖4 焊接最大位移示意圖

2）塔筒柔性連接受力變形圖（見(jiàn)圖5，圖6）

圖5 柔性連接最大應(yīng)力示意圖

圖6 柔性連接最大位移示意圖

3）從以上4圖我們可以看出：

焊接形式：最大應(yīng)力：63.969 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒頂部。

柔性連接：最大應(yīng)力：75.873 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒頂部。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，焊接形式連接時(shí)，最大應(yīng)力位置在門框的邊緣，此處為塔筒的薄弱區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；柔性連接時(shí)，最大應(yīng)力和最大位移位置都在塔筒的上邊緣，并且裝配時(shí)此處增加減振墊，能緩沖各種載荷對(duì)塔筒的沖擊作用，實(shí)現(xiàn)塔筒安全使用。

3 結(jié)論

通過(guò)塔筒兩種連接結(jié)構(gòu)受力分析的對(duì)比，柔性連接形式不僅改變了傳統(tǒng)的焊接方法，方便運(yùn)輸；同時(shí)最大應(yīng)力位置由原來(lái)的塔筒薄弱點(diǎn)改變成塔筒上端，并應(yīng)用減振墊消除部分應(yīng)力，提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性，此種連接結(jié)構(gòu)安全可行，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Tony Burton.風(fēng)能技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]姜香梅.有限單元法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究[M].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002（5）.

[3]李本立，宋憲耕，等.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.

[4]陸萍，黃珊秋，張俊.風(fēng)力機(jī)塔架塔筒結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性的有限元分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1997，18（4）.endprint

摘 要 文章探討風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒柔性連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)塔筒剛性連接結(jié)構(gòu)和柔性連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，對(duì)比分析數(shù)據(jù)，分析柔性連接的特點(diǎn)。結(jié)果表明，在基礎(chǔ)條件相同的情況下，柔性連接能減少焊接工序，降低由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余熱應(yīng)力，便于運(yùn)輸，同時(shí)提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性。因此采用Solidworks三維軟件對(duì)塔筒剛性連接結(jié)構(gòu)和柔性連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析是可行的，結(jié)果與工程實(shí)際一致，提出的意見(jiàn)可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 塔筒；柔性結(jié)構(gòu)；三維軟件；受力分析

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）06-0142-02

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒一般分為3-6段，高45 m-100 m。每段長(zhǎng)20 m-25 m，每段之間的鋼板滾制后通過(guò)焊接連接而成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒在工作過(guò)程中受到風(fēng)向不斷變化，機(jī)組受風(fēng)影響會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，塔筒的受力點(diǎn)在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口門，所以此段為塔筒的薄弱區(qū)域。因此為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，提高塔筒自身的可靠性，在設(shè)計(jì)塔筒結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分考慮塔筒的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)分析是一項(xiàng)重要的工作。

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒最下一段與上一段由焊接完成的連接，由于焊接結(jié)構(gòu)截面變化大，過(guò)渡區(qū)域較陡，圓角較小處容易引起較大的應(yīng)力集中，同時(shí)焊接過(guò)程避免不了的存在焊接參與熱應(yīng)力，而且焊接過(guò)程產(chǎn)生的焊縫，熱影響區(qū)等的顯微組織與板材的基體組織有著顯著差異，造成強(qiáng)度不夠，此區(qū)域在塔筒搖擺工作過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間受到拉伸與壓縮交變?cè)诤偷淖饔肹3]。殘余壓力會(huì)降低塔筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，交變載荷會(huì)造成塔筒結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞，最終會(huì)造成塔筒失效，同時(shí)如果風(fēng)速急劇增大，會(huì)對(duì)底端產(chǎn)生沖擊載荷，焊縫的組織屬于鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，如果在焊接后熱處理不當(dāng)會(huì)造成沖擊韌性性能不達(dá)標(biāo)而使塔筒斷裂。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)柔性連接結(jié)構(gòu)，目的是減少焊接工序，降低由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余熱應(yīng)力，便于運(yùn)輸，同時(shí)提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性?，F(xiàn)以2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒為例，應(yīng)用三維分析軟件對(duì)剛性和柔性兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，比較分析結(jié)果。

1 柔性連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒柔性連接結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。在最下端塔筒（序號(hào)1）與上一段塔筒（序號(hào)2）連接處的兩側(cè)設(shè)置外連接盤（序號(hào)3）和內(nèi)連接盤（序號(hào)4），外連接盤和內(nèi)連接盤與最下端塔筒通過(guò)螺栓連接，外連接盤和內(nèi)連接盤與上一段塔筒通過(guò)螺栓連接，最下段塔筒與上一段塔筒之間設(shè)有減振墊（序號(hào)5），在塔筒工作過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷可以通過(guò)塔筒的搖擺，在減振墊上消除這些載荷，同時(shí)此種連接方式可有效消除風(fēng)速突變塔筒搖擺產(chǎn)生的沖擊力，減輕對(duì)門框的壓力。

2 加載和求解

為了說(shuō)明柔性連接的優(yōu)點(diǎn)，建立兩種模型，一種是塔筒之間焊接，一種是塔筒之間柔性連接，見(jiàn)圖2，分別施加相同的約束和載荷，對(duì)比分析塔筒的危險(xiǎn)受力點(diǎn)和變形最大位置。分別以第六節(jié)塔筒為例，仿真分析受力情況。

1）塔筒焊接形式受力變形圖（見(jiàn)圖3，圖4）

圖1 柔性連接示意圖 圖2 柔性連接三維建模圖

圖3 焊接最大應(yīng)力示意圖

圖4 焊接最大位移示意圖

2）塔筒柔性連接受力變形圖（見(jiàn)圖5，圖6）

圖5 柔性連接最大應(yīng)力示意圖

圖6 柔性連接最大位移示意圖

3）從以上4圖我們可以看出：

焊接形式：最大應(yīng)力：63.969 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒頂部。

柔性連接：最大應(yīng)力：75.873 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒頂部。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，焊接形式連接時(shí)，最大應(yīng)力位置在門框的邊緣，此處為塔筒的薄弱區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；柔性連接時(shí)，最大應(yīng)力和最大位移位置都在塔筒的上邊緣，并且裝配時(shí)此處增加減振墊，能緩沖各種載荷對(duì)塔筒的沖擊作用，實(shí)現(xiàn)塔筒安全使用。

3 結(jié)論

通過(guò)塔筒兩種連接結(jié)構(gòu)受力分析的對(duì)比，柔性連接形式不僅改變了傳統(tǒng)的焊接方法，方便運(yùn)輸；同時(shí)最大應(yīng)力位置由原來(lái)的塔筒薄弱點(diǎn)改變成塔筒上端，并應(yīng)用減振墊消除部分應(yīng)力，提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性，此種連接結(jié)構(gòu)安全可行，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Tony Burton.風(fēng)能技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]姜香梅.有限單元法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究[M].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002（5）.

[3]李本立，宋憲耕，等.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.

[4]陸萍，黃珊秋，張俊.風(fēng)力機(jī)塔架塔筒結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性的有限元分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1997，18（4）.endprint

摘 要 文章探討風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒柔性連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)塔筒剛性連接結(jié)構(gòu)和柔性連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，對(duì)比分析數(shù)據(jù)，分析柔性連接的特點(diǎn)。結(jié)果表明，在基礎(chǔ)條件相同的情況下，柔性連接能減少焊接工序，降低由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余熱應(yīng)力，便于運(yùn)輸，同時(shí)提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性。因此采用Solidworks三維軟件對(duì)塔筒剛性連接結(jié)構(gòu)和柔性連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析是可行的，結(jié)果與工程實(shí)際一致，提出的意見(jiàn)可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 塔筒；柔性結(jié)構(gòu)；三維軟件；受力分析

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）06-0142-02

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒一般分為3-6段，高45 m-100 m。每段長(zhǎng)20 m-25 m，每段之間的鋼板滾制后通過(guò)焊接連接而成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒在工作過(guò)程中受到風(fēng)向不斷變化，機(jī)組受風(fēng)影響會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，塔筒的受力點(diǎn)在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口門，所以此段為塔筒的薄弱區(qū)域。因此為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，提高塔筒自身的可靠性，在設(shè)計(jì)塔筒結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分考慮塔筒的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)分析是一項(xiàng)重要的工作。

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒最下一段與上一段由焊接完成的連接，由于焊接結(jié)構(gòu)截面變化大，過(guò)渡區(qū)域較陡，圓角較小處容易引起較大的應(yīng)力集中，同時(shí)焊接過(guò)程避免不了的存在焊接參與熱應(yīng)力，而且焊接過(guò)程產(chǎn)生的焊縫，熱影響區(qū)等的顯微組織與板材的基體組織有著顯著差異，造成強(qiáng)度不夠，此區(qū)域在塔筒搖擺工作過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間受到拉伸與壓縮交變?cè)诤偷淖饔肹3]。殘余壓力會(huì)降低塔筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，交變載荷會(huì)造成塔筒結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞，最終會(huì)造成塔筒失效，同時(shí)如果風(fēng)速急劇增大，會(huì)對(duì)底端產(chǎn)生沖擊載荷，焊縫的組織屬于鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，如果在焊接后熱處理不當(dāng)會(huì)造成沖擊韌性性能不達(dá)標(biāo)而使塔筒斷裂。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)柔性連接結(jié)構(gòu)，目的是減少焊接工序，降低由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余熱應(yīng)力，便于運(yùn)輸，同時(shí)提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性?，F(xiàn)以2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒為例，應(yīng)用三維分析軟件對(duì)剛性和柔性兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，比較分析結(jié)果。

1 柔性連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒柔性連接結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。在最下端塔筒（序號(hào)1）與上一段塔筒（序號(hào)2）連接處的兩側(cè)設(shè)置外連接盤（序號(hào)3）和內(nèi)連接盤（序號(hào)4），外連接盤和內(nèi)連接盤與最下端塔筒通過(guò)螺栓連接，外連接盤和內(nèi)連接盤與上一段塔筒通過(guò)螺栓連接，最下段塔筒與上一段塔筒之間設(shè)有減振墊（序號(hào)5），在塔筒工作過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷可以通過(guò)塔筒的搖擺，在減振墊上消除這些載荷，同時(shí)此種連接方式可有效消除風(fēng)速突變塔筒搖擺產(chǎn)生的沖擊力，減輕對(duì)門框的壓力。

2 加載和求解

為了說(shuō)明柔性連接的優(yōu)點(diǎn)，建立兩種模型，一種是塔筒之間焊接，一種是塔筒之間柔性連接，見(jiàn)圖2，分別施加相同的約束和載荷，對(duì)比分析塔筒的危險(xiǎn)受力點(diǎn)和變形最大位置。分別以第六節(jié)塔筒為例，仿真分析受力情況。

1）塔筒焊接形式受力變形圖（見(jiàn)圖3，圖4）

圖1 柔性連接示意圖 圖2 柔性連接三維建模圖

圖3 焊接最大應(yīng)力示意圖

圖4 焊接最大位移示意圖

2）塔筒柔性連接受力變形圖（見(jiàn)圖5，圖6）

圖5 柔性連接最大應(yīng)力示意圖

圖6 柔性連接最大位移示意圖

3）從以上4圖我們可以看出：

焊接形式：最大應(yīng)力：63.969 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒頂部。

柔性連接：最大應(yīng)力：75.873 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒頂部。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，焊接形式連接時(shí)，最大應(yīng)力位置在門框的邊緣，此處為塔筒的薄弱區(qū)域，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；柔性連接時(shí)，最大應(yīng)力和最大位移位置都在塔筒的上邊緣，并且裝配時(shí)此處增加減振墊，能緩沖各種載荷對(duì)塔筒的沖擊作用，實(shí)現(xiàn)塔筒安全使用。

3 結(jié)論

通過(guò)塔筒兩種連接結(jié)構(gòu)受力分析的對(duì)比，柔性連接形式不僅改變了傳統(tǒng)的焊接方法，方便運(yùn)輸；同時(shí)最大應(yīng)力位置由原來(lái)的塔筒薄弱點(diǎn)改變成塔筒上端，并應(yīng)用減振墊消除部分應(yīng)力，提高塔筒強(qiáng)度，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全性，此種連接結(jié)構(gòu)安全可行，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Tony Burton.風(fēng)能技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]姜香梅.有限單元法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究[M].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2002（5）.

[3]李本立，宋憲耕，等.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.

[4]陸萍，黃珊秋，張俊.風(fēng)力機(jī)塔架塔筒結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性的有限元分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1997，18（4）.endprint