風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒門框結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化

馬武福 孫仲澤 翟乾俊 蘭成坤 萬(wàn)雄斌

摘 要：風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒門框式門洞是塔筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)薄弱的區(qū)域，與塔筒的結(jié)構(gòu)安全、塔筒重量等緊密相關(guān)。為實(shí)現(xiàn)減小鋼塔筒門框式門洞筒壁的應(yīng)力集中系數(shù)、減輕門框重量等目標(biāo)，現(xiàn)采用分析軟件對(duì)鋼塔筒門框結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估，得到了更加經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；鋼塔筒；門框式門洞；結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM315? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）16-0021-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.006

0? ? 引言

風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒塔架因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工業(yè)化程度高、可模塊化等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用，其中大量鋼塔筒在下段設(shè)置門洞作為運(yùn)維通道，并采用門框在一定程度上加強(qiáng)塔筒門洞[1]。鋼塔筒研制中門框式門洞的合理設(shè)計(jì)，不僅要保證塔筒門洞具有足夠的強(qiáng)度、剛度、抗疲勞能力，避免因門洞因素引起的塔筒開(kāi)裂甚至倒塔等，還要快速實(shí)現(xiàn)塔筒的合理重量與輕量化等設(shè)計(jì)。本文采用有限元分析軟件等，結(jié)合鋼塔筒門框式門洞處筒壁焊趾的強(qiáng)度與疲勞評(píng)估要求，對(duì)某機(jī)型鋼塔筒門框式門洞的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化前后的門洞筒壁進(jìn)行應(yīng)力、疲勞壽命、屈曲等對(duì)比計(jì)算，得到了更經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

1? ? 有限元模型建立

1.1? ? 結(jié)構(gòu)與參數(shù)描述

門框式門洞，上下兩端為對(duì)稱橢圓，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。門洞：長(zhǎng)度Dl=2 840 mm、寬度Dw=860 mm、平行段長(zhǎng)度Dp=820 mm；門框：厚度Ft=80 mm、沿塔筒直徑方向總高度Fw=245 mm、凸出塔筒外壁的高度（外凸高）Fo=45 mm；塔筒：外直徑Dt=4 500 mm、壁厚t=46 mm；門框、塔筒筒壁材料牌號(hào)均為S355，材料參數(shù)為：彈性模量E=2.1×105 MPa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7.83×10-9 t/mm3；抗拉強(qiáng)度σb=450～680 MPa、屈服強(qiáng)度σs≥345 MPa（筒壁）、315 MPa（門框）。

1.2? ? 優(yōu)化模型描述

優(yōu)化模型基于鋼塔筒門框式門洞的筒壁焊趾應(yīng)力計(jì)算方法建立，焊趾應(yīng)力采用圖2所示焊縫熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行建模與計(jì)算。一般地，鋼塔筒門框式門洞的筒壁厚t比門框厚度Ft小，因此用筒壁上參考點(diǎn)（分別為0.4t、1.0t）的計(jì)算應(yīng)力插值得到熱點(diǎn)（焊趾）應(yīng)力。

考慮焊縫細(xì)節(jié)的有限元計(jì)算模型，其模型建立、應(yīng)力計(jì)算、優(yōu)化計(jì)算等方法較為煩瑣復(fù)雜，因此建立優(yōu)化計(jì)算用有限元模型時(shí)，圖2所示應(yīng)力計(jì)算方法用圖3所示方法來(lái)近似替代，即不考慮焊縫細(xì)節(jié)。

優(yōu)化計(jì)算載荷選用、結(jié)構(gòu)范圍：風(fēng)電機(jī)組的塔筒受載特點(diǎn)決定了塔筒承受的極限載荷及疲勞載荷各分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，其中My是主要載荷，因此只考慮My的作用。另外，塔筒是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在對(duì)稱載荷My作用下的優(yōu)化計(jì)算模型只涉及含門洞區(qū)域塔段的半結(jié)構(gòu)、等壁厚筒體（圖4），以減少計(jì)算規(guī)模，提高優(yōu)化計(jì)算效率。

計(jì)算模型的約束方式、載荷施加、數(shù)據(jù)處理：塔筒底部施加全約束，塔筒對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束；在模型頂部施加載荷My。如前所述，由于My是主要載荷，因此其作用下的應(yīng)力集中系數(shù)必然對(duì)筒壁極限應(yīng)力、疲勞損傷有重要影響，因此只施加My計(jì)算筒壁的應(yīng)力集中系數(shù)。門洞筒壁受拉是較為不利的情況，因此基于應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算的優(yōu)化模型中，施加的載荷My是使門洞筒壁受拉、在門洞區(qū)域筒壁上產(chǎn)生最大名義彎曲應(yīng)力為1 MPa時(shí)的載荷。

對(duì)于外直徑Dt=4 500 mm、筒壁厚t=46 mm的門洞處筒壁半模型，My=3.62×108 N·mm。此時(shí)筒壁應(yīng)力集中系數(shù)（或熱點(diǎn)應(yīng)力）Scf按公式（1）進(jìn)行計(jì)算[2]：

Scf=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：σ0.4t為參考點(diǎn)1（距離熱點(diǎn)/焊趾0.4t）的應(yīng)力；σ1.0t為參考點(diǎn)2（距離熱點(diǎn)/焊趾1.0t）的應(yīng)力。

一般地，σ0.4t越大，應(yīng)力集中系數(shù)越大，因此在優(yōu)化計(jì)算用模型中，提取0.4t處的第一主應(yīng)力，近似作為筒壁熱點(diǎn)（焊趾）應(yīng)力或應(yīng)力集中系數(shù)。圖5、圖6為優(yōu)化用模型計(jì)算的門洞區(qū)域第一主應(yīng)力云圖。

2? ? 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

門框式門洞筒壁在載荷My下的應(yīng)力集中系數(shù)大小與門框等的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，筒壁的極限應(yīng)力、疲勞壽命大小又與應(yīng)力集中系數(shù)大小相關(guān)，應(yīng)力集中系數(shù)越大，筒壁極限應(yīng)力越大、疲勞壽命越短。因此，優(yōu)化計(jì)算的目的為降低門框式門洞筒壁的應(yīng)力集中系數(shù)、門框的重量等。

采用ANSYS軟件的多目標(biāo)優(yōu)化方法，基于上述有限元模型進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)最小化、門框重量最小化等優(yōu)化計(jì)算。其中，將塔筒外直徑Dt=4 500 mm、壁厚t=46 mm、載荷My=3.62×108 N·mm、材料參數(shù)等設(shè)置為不變量，其余參數(shù)為設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)，約束關(guān)系如表1所示。如前所述，參考點(diǎn)1應(yīng)力σ0.4t越大，應(yīng)力集中系數(shù)越大；另外，塔筒直徑、壁厚等參數(shù)不變，門框重量越大，等效于塔筒重量越大；因此，優(yōu)化計(jì)算中的應(yīng)力集中系數(shù)最小化、門框重量的最小化，用參考點(diǎn)1應(yīng)力σ0.4t最小化、塔筒重量最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7、圖8為應(yīng)力、塔筒重量等與重要設(shè)計(jì)變量的敏感性分析結(jié)果。從優(yōu)化結(jié)果可知：門框式門洞處筒壁的應(yīng)力σ0.4t（參數(shù)P7，對(duì)應(yīng)于應(yīng)力集中系數(shù)）與門洞橢圓短半軸（參數(shù)P2）正相關(guān)，與門框厚度（參數(shù)P3）、內(nèi)凸（參數(shù)P5）負(fù)相關(guān)，即可通過(guò)盡量減小門洞寬度、增加門框厚度[4]、增加門框內(nèi)凸等來(lái)降低應(yīng)力集中系數(shù)；門洞橢圓長(zhǎng)半軸（參數(shù)P1）與塔筒重量（參數(shù)P8，對(duì)應(yīng)于門框重量）負(fù)相關(guān)，門框厚度（參數(shù)P3）、門框外凸（參數(shù)P4）、門框內(nèi)凸（參數(shù)P5）、門框平行段長(zhǎng)度（參數(shù)P6）與塔筒重量正相關(guān)，即增大P1及減小P3、P4、P5、P6等參數(shù)，能減輕塔筒（門框）的重量。

表2為優(yōu)化計(jì)算得到的3種候選方案及基于候選方案1調(diào)整得到的優(yōu)化方案，其中優(yōu)化方案的應(yīng)力計(jì)算采用公式（1）。

從表2可知，基于候選方案1取整得到的優(yōu)化方案，參考點(diǎn)1應(yīng)力σ0.4t、塔筒重量等與候選方案1相差不大，表明基于候選方案調(diào)整得到的優(yōu)化方案可用于后續(xù)的設(shè)計(jì)分析。

3? ? 優(yōu)化方案對(duì)比

表3為采用公式（1）對(duì)優(yōu)化前后門框式門洞處筒壁應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。門框式門洞經(jīng)優(yōu)化后的筒壁應(yīng)力集中系數(shù)降低了20%；一般地，該處筒壁疲勞-壽命（S-N）曲線的斜率k=3～5，由此簡(jiǎn)單推知，在同一疲勞載荷作用下，筒壁的疲勞壽命可提高1.7～2.5倍。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)提升了結(jié)構(gòu)的抗極限承載能力、抗疲勞能力。

4? ? 結(jié)論

鋼制塔筒門框式門洞，可用不含焊縫細(xì)節(jié)的模型，用距離門框0.4t、1.0t等位置的應(yīng)力插值得到門框位置處的應(yīng)力，進(jìn)行應(yīng)力集中、極限應(yīng)力、疲勞壽命等計(jì)算與評(píng)估。

門框式門洞處筒壁的應(yīng)力集中系數(shù)過(guò)大，會(huì)降低門框式門洞處筒壁的極限承載能力、抗疲勞能力，因此，對(duì)門框式門洞的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行降低應(yīng)力集中系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于設(shè)計(jì)更加合理的結(jié)構(gòu)方案，還有助于鋼塔筒門框式結(jié)構(gòu)的輕量化、降成本設(shè)計(jì)。

門框式門洞筒壁在載荷My下的應(yīng)力集中系數(shù)大小與門洞位置的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，筒壁的極限應(yīng)力、疲勞壽命大小又與應(yīng)力集中系數(shù)大小相關(guān)，應(yīng)力集中系數(shù)越大，筒壁極限應(yīng)力越大、疲勞壽命越短。采用本文的方法對(duì)鋼塔筒門框式門洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了筒壁應(yīng)力集中系數(shù)和門框的用量成本，得到了滿足制造、工藝等要求的合理結(jié)構(gòu)方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 石秉楠，錢華，劉麒祥，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒門段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].東方汽輪機(jī)，2016（3）：67-69.

[2] HOBBACHER A F.Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components[M]. Berlin： Springer International Publishing，2016.

[3] GERMANISCHER LLOYD. Guideline for the Certifica-

tion of Wind Turbines[R].Hamburg：Germanischer Lloyd，2010.

[4] 楊振興，劉朝豐，張紫平.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架門洞及其設(shè)計(jì)方法：CN102434408B[P].2015-07-22.

收稿日期：2023-04-17

作者簡(jiǎn)介：馬武福（1970—），男，四川資陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析。

通信作者：翟乾?。?996—），男，湖北襄陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析。