塔筒安裝條件下法蘭盤(pán)受力變形分析研究

龔 歡，衛(wèi)紅英，葉兆藝，王欣怡，李小鵬

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311100；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州311100；3.浙江大學(xué)港口海岸與近海工程研究所，浙江杭州310058；4. 錫林浩特市泰富風(fēng)力發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026099)

0 引 言

隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣黾?，風(fēng)電作為一種具有潛力的清潔能源，其重要性逐漸凸顯出來(lái)[1]。相比于傳統(tǒng)的能源形式，如化石燃料，風(fēng)電具有零排放、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。

法蘭盤(pán)是連接塔筒的關(guān)鍵組成部分，通常由高強(qiáng)度鋼材制成[2]。塔筒翻身吊裝施工過(guò)程中，法蘭盤(pán)及螺栓孔容易發(fā)生損傷變形，導(dǎo)致螺栓連接失效，嚴(yán)重影響塔筒的安全穩(wěn)定性。目前已經(jīng)有學(xué)者對(duì)塔筒法蘭盤(pán)進(jìn)行了相關(guān)研究[3-7]，樊軻等[3]通過(guò)模型試驗(yàn)以及有限元軟件對(duì)高強(qiáng)度鉚釘?shù)钠谔匦赃M(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該高強(qiáng)鉚釘能有效提升抗疲勞性能。李勇芝等[4]采用ANSYS有限元軟件研究了不同法蘭防變形支撐結(jié)構(gòu)對(duì)法蘭變形的影響規(guī)律，研究表明三字支撐結(jié)構(gòu)防變形效果最好。張卜銅等[5]針對(duì)法蘭盤(pán)焊接后出現(xiàn)微小變形導(dǎo)致連接螺栓應(yīng)力集中的問(wèn)題，提出了一種熱矯正工藝。林定果等[6]采用EasyLaser平面度分析軟件，分析了下料誤差對(duì)塔筒法蘭平面度的影響，提出控制下料誤差的方法以解決法蘭平面度超標(biāo)問(wèn)題。胡良明等[7]通過(guò)ABAQUS對(duì)帶有法蘭螺栓的塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究，得到一種快速檢測(cè)螺栓斷裂的理論方法。

近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)組的額定功率已經(jīng)從2 MW逐步提升到10 MW以上[8-10]，高功率風(fēng)力機(jī)組需要更高、更重的塔筒；對(duì)塔筒的吊裝也提出了更高的要求，工程中經(jīng)常出現(xiàn)吊裝導(dǎo)致法蘭盤(pán)上的螺孔變形使得塔筒上下端連接不緊密等問(wèn)題。但是目前對(duì)塔筒吊裝翻身時(shí)塔筒法蘭以及螺孔的受力變形特征研究較為匱乏。

本文以吊裝條件下的法蘭盤(pán)為研究對(duì)象，基于有限元軟件ABAQUS，建立塔筒及法蘭盤(pán)三維數(shù)值模型，分析塔筒翻身吊裝過(guò)程中法蘭盤(pán)螺孔變形特征，研究結(jié)果可為塔筒安全吊裝施工提供理論支持。

1 塔筒吊裝施工工藝

塔筒吊裝施工是風(fēng)電工程建設(shè)重要的組成部分。施工工藝為主吊車(chē)起吊上法蘭，輔助吊車(chē)起吊下法蘭，對(duì)塔筒進(jìn)行抬吊翻身。兩臺(tái)吊車(chē)協(xié)調(diào)工作，防止法蘭與地面接觸，直到輔吊端法蘭朝下，卸掉塔同底部輔吊端吊座組件。其中，主吊端法蘭面安裝4個(gè)吊耳，輔吊端法蘭面安裝2個(gè)吊耳，并用高強(qiáng)度螺栓緊固。此外，安裝專(zhuān)用吊帶、鋼絲繩和滑車(chē)組件等，如圖1所示。塔筒吊裝翻身時(shí)，結(jié)構(gòu)組件受力分析如圖2所示。

圖1 法蘭盤(pán)吊耳安裝位置

圖2 塔筒翻身吊裝受力分析示意

2 塔筒及法蘭盤(pán)有限元模型

2.1 有限元模型參數(shù)設(shè)置

基于塔筒及法蘭盤(pán)的實(shí)際尺寸建立模型，其中，塔筒長(zhǎng)28.1 m，直徑4.238 m，塔筒壁厚0.06 m。法蘭盤(pán)外徑4.678 m，厚0.22 m，寬0.2 m，法蘭盤(pán)上有96個(gè)螺孔，其中螺孔中心距法蘭盤(pán)外徑0.08 m，螺孔直徑0.06 m。塔筒及法蘭盤(pán)有限元模型見(jiàn)圖3。采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元(C3D8R)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。模型材料設(shè)為彈塑性材料，質(zhì)量密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.3；塑性參數(shù)見(jiàn)圖4。

圖3 塔筒及法蘭盤(pán)有限元模型

圖4 模型塑性特征[11]

2.2 邊界條件及加載方式

考慮塔筒翻身過(guò)程中，主吊端向上偏轉(zhuǎn)，因此，將輔吊端的兩個(gè)吊點(diǎn)進(jìn)行約束，對(duì)吊點(diǎn)B1設(shè)置3個(gè)方向的約束，對(duì)吊點(diǎn)B2設(shè)置水平和豎直方向的約束。對(duì)模型整體施加重力，主吊端的吊點(diǎn)采用表面荷載進(jìn)行加載。邊界條件以及荷載施加方式，如圖3所示。

3 水平條件下法蘭盤(pán)受力特征分析

3.1 應(yīng)力分析

圖5為塔筒水平狀態(tài)時(shí)法蘭盤(pán)的Mises應(yīng)力云圖。從圖5可以看出，主吊端法蘭盤(pán)上應(yīng)力集中主要發(fā)生在A1、A2、A3、A4等4個(gè)吊點(diǎn)以及法蘭盤(pán)上下端。輔吊端應(yīng)力集中主要發(fā)生在B1、B2等2個(gè)吊點(diǎn)。從法蘭盤(pán)上端沿圓周分別繪制主吊端及輔吊端法蘭盤(pán)的應(yīng)力曲線，繪制方向如圖5箭頭所示，所得應(yīng)力曲線見(jiàn)圖6。

圖5 法蘭盤(pán)應(yīng)力云圖

圖6 法蘭盤(pán)應(yīng)力曲線

從圖6中可以看出，主吊端吊點(diǎn)A1與A2應(yīng)力為30.0 MPa，吊點(diǎn)A3與A4的應(yīng)力為26.8 MPa。主吊端法蘭盤(pán)的上端以及下端也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，上端應(yīng)力為17.2 MPa，下端為14.5 MPa。吊點(diǎn)A1、A2處的應(yīng)力約為吊點(diǎn)A3、A4處的1.12倍，主吊端法蘭盤(pán)上端應(yīng)力約為下端應(yīng)力的1.19倍；輔吊端吊點(diǎn)B1與B2的應(yīng)力均為211.7 MPa，約為主吊端吊點(diǎn)A1的7倍。輔吊端法蘭盤(pán)的上下端應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，但整體應(yīng)力遠(yuǎn)大于主吊端，最危險(xiǎn)點(diǎn)為輔吊端的兩個(gè)吊點(diǎn)。

3.2 應(yīng)變分析

上述應(yīng)力分析表明，輔吊端法蘭盤(pán)為危險(xiǎn)端，且該端的吊點(diǎn)B1、B2為最危險(xiǎn)點(diǎn)，因此，提取輔吊端法蘭盤(pán)以及吊點(diǎn)B2的應(yīng)變?cè)茍D，見(jiàn)圖7。

圖7 輔吊端法蘭盤(pán)及螺孔應(yīng)變?cè)茍D

從圖7中可以看出，輔吊端法蘭盤(pán)整體應(yīng)變分布均勻，吊點(diǎn)B2處螺孔下半部分應(yīng)變值最大值為0.007 4，螺孔上半部分應(yīng)變最大值為-0.005 6，說(shuō)明螺孔上半部分受壓，下半部分受拉，螺孔整體發(fā)生剪切變形。

圖8顯示B2處螺孔的等效塑性應(yīng)變(PEEQ)，等效塑性應(yīng)變區(qū)域集中在螺孔中心到法蘭盤(pán)中心的另一側(cè)，等效塑性應(yīng)變PEEQ的峰值約為0.006 4，說(shuō)明該處已經(jīng)發(fā)生屈服。

圖8 螺孔等效塑性應(yīng)變應(yīng)變?cè)茍D

圖9為輔吊端法蘭盤(pán)位移云圖。從圖9中可以看出，輔吊端法蘭盤(pán)水平方向沿中間壓縮5.08 mm，豎直方向沿上下兩端拉伸4.76 mm。從中可以提取B2吊點(diǎn)處螺孔位移為0.55 mm。

圖9 輔吊端法蘭盤(pán)位移云圖

4 不同傾角條件下法蘭盤(pán)受力特征分析

4.1 應(yīng)力分析

開(kāi)展塔筒由水平翻身至豎直狀態(tài)的過(guò)程中法蘭盤(pán)受力特征分析。設(shè)置傾角為0°、30°、45°、60°、90°5組工況，研究不同翻身階段時(shí)法蘭盤(pán)及螺孔的受力變形特征。其中，在傾角為90°工況時(shí)，輔吊端吊耳拆除，僅有主吊受力，因此對(duì)邊界條件重新設(shè)置為主吊端吊點(diǎn)A2、A3、A4約束方向上的位移，吊點(diǎn)A1約束3個(gè)方向上的位移，模型整體受到豎直向下的重力。

圖10為不同工況法蘭盤(pán)的應(yīng)力云圖，從圖10可以看出，主吊端法蘭盤(pán)最大應(yīng)力在傾角為30°、45°、60°、90°時(shí)為31.2、29.5、26.3、200.3 MPa；輔吊端法蘭盤(pán)最大應(yīng)力為208.2、204.7、202.3、0.3 MPa。在吊裝至垂直狀態(tài)，拆除輔吊端吊耳前，隨著傾角的增大，主吊端和輔吊端法蘭盤(pán)應(yīng)力均減小，主吊端的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于輔吊端。但是當(dāng)?shù)跹b至90°時(shí)，吊耳拆除，此時(shí)輔吊端應(yīng)力趨近于0，應(yīng)力主要集中在主吊端4個(gè)吊點(diǎn)上。

圖10 不同工況法蘭盤(pán)應(yīng)力云圖

4.2 應(yīng)變分析

由圖11可知，在塔筒傾角90°之前，輔吊端應(yīng)力最大，在90°時(shí)，主吊端應(yīng)力最大。因此提取30°、45°、60°工況下的輔吊端法蘭盤(pán)及螺孔應(yīng)變?cè)茍D以及90°工況時(shí)的主吊端法蘭盤(pán)及螺孔應(yīng)變?cè)茍D，見(jiàn)圖11。

圖11 不同工況法蘭盤(pán)及螺孔應(yīng)變?cè)茍D

從圖11可以看出，傾角為30°、45°、60°時(shí)輔吊端螺孔的塑性應(yīng)變的值分別為0.004 2、0.002 4、0.001 5，在傾角為90°時(shí)，整體塑性應(yīng)變?yōu)?，因此選取提取主吊端螺孔的彈性應(yīng)變，值為0.001。在90°之前，隨著傾角的增大，輔吊端螺孔的塑性應(yīng)變逐漸減小，均為上半部分受壓，下半部分受拉，說(shuō)明在塔筒翻身階段，輔吊端螺孔始終發(fā)生剪切變形。在吊裝至90°時(shí)，主吊端螺孔邊緣應(yīng)變?yōu)檎?，說(shuō)明螺孔周?chē)l(fā)生拉伸。提取輔吊端吊點(diǎn)B2處的螺孔位移變形，以及主吊端吊點(diǎn)A1處的螺孔位移變形，如表1所示。

表1 不同工況輔/主吊端螺孔變形

從表1可知，隨著傾角的增大，輔吊端螺孔的變形逐漸減小，在0°時(shí)最大為0.55 mm，當(dāng)?shù)跹b至豎直狀態(tài)時(shí)，主吊端螺孔變形達(dá)到整個(gè)吊裝翻身階段的最大值為0.15 mm，為輔吊端螺孔最大變形值的27%。上述分析表明，整個(gè)塔筒吊裝過(guò)程中，法蘭螺栓孔最大變形發(fā)生在塔筒水平起吊時(shí)。

5 法蘭螺孔變形預(yù)測(cè)公式

由于風(fēng)電機(jī)組的功率及樣式不同[12-13]，所需的塔筒及法蘭盤(pán)的幾何尺寸各不相同，需要對(duì)不同塔筒及法蘭盤(pán)尺寸進(jìn)行敏感性分析。得到塔筒壁厚T，法蘭盤(pán)厚度W以及塔筒長(zhǎng)度L對(duì)法蘭盤(pán)螺孔最大變形的D的影響規(guī)律，通過(guò)非線性擬合方法[14]，建立螺孔最大變形與塔筒及法蘭盤(pán)幾何尺寸的預(yù)測(cè)公式，并驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性。

5.1 敏感性分析

從表1可知，當(dāng)塔筒處于水平狀態(tài)時(shí)，輔吊端B2處螺孔變形最大，因此基于輔吊點(diǎn)B2處的螺孔變形開(kāi)展塔筒及法蘭盤(pán)幾何尺寸敏感性分析。敏感性分析的參數(shù)取值范圍如下：法蘭盤(pán)厚度W取18、20、22、24 cm；塔筒長(zhǎng)度L取26、28、30、32 m，塔筒壁厚T取6、8、10 cm，共計(jì)48組工況，部分敏感性分析結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，法蘭盤(pán)螺孔的最大變形隨塔筒壁厚及塔筒長(zhǎng)度增大而增大，隨法蘭盤(pán)厚度增大而減小。

圖12 螺孔最大變形的影響因素

5.2 螺孔變形預(yù)測(cè)公式

通過(guò)非線性擬合方法[14]，分析48組工況的分析結(jié)果，建立基于塔筒壁厚T、法蘭盤(pán)厚W、塔筒長(zhǎng)度L等3個(gè)變量的法蘭盤(pán)螺孔最大變形D的預(yù)測(cè)公式，即建立函數(shù)關(guān)系D=f(T，W，L)，具體公式為

D=(-0.017 4WL+0.437L+0.41W-10.3)T+0.056 3WL-1.4L-1.3W+32.33

(1)

式(1)的可靠性分析結(jié)果如圖13所示。通過(guò)對(duì)比實(shí)際螺孔變形數(shù)據(jù)和公式(1)預(yù)測(cè)變形數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示公式(1)計(jì)算所得的法蘭盤(pán)螺孔最大變形平均誤差僅為6.79%，可以為吊裝條件下法蘭盤(pán)螺孔最大變形預(yù)測(cè)提供有效的理論支持。

圖13 預(yù)測(cè)模型可靠性驗(yàn)證

6 結(jié) 論

采用有限元數(shù)值模擬方法，開(kāi)展塔筒吊裝翻身時(shí)法蘭盤(pán)受力特性研究，得到如下結(jié)論：

(1)塔筒吊裝翻身過(guò)程中，當(dāng)塔筒處于水平狀態(tài)下法蘭盤(pán)所受應(yīng)力變形最小。輔吊端吊點(diǎn)最大應(yīng)力約為主吊端吊點(diǎn)的7倍；法蘭盤(pán)螺孔上半部分受壓，下半部分受拉，螺孔局部屈服，出現(xiàn)剪切變形。

(2)塔筒法蘭盤(pán)幾何參數(shù)盤(pán)敏感性分析顯示，法蘭盤(pán)螺孔的最大變形隨塔筒壁厚及塔筒長(zhǎng)度增大而增大，隨法蘭盤(pán)厚度減小而增大。

(3)基于敏感性分析數(shù)據(jù)，提出了基于非線性擬合方法的法蘭盤(pán)螺孔最大變形預(yù)測(cè)公式，平均誤差僅為6.79%，可以為吊裝條件下法蘭盤(pán)螺孔最大變形預(yù)測(cè)提供有效的理論支持。