豎向和橫向地震載荷對某1. 5 MW風(fēng)力機(jī)塔筒裂尖應(yīng)變場的影響及其對比

摘要：以含不同初始裂紋長度的某1. 5 MW風(fēng)力機(jī)塔筒為研究對象，對其分別施加豎向和橫向地震載荷，每種地震載荷均包含4個地震烈度和3個實(shí)際地震震級。針對豎向和橫向地震載荷對風(fēng)力機(jī)塔筒裂尖應(yīng)變場的影響進(jìn)行研究與對比。結(jié)果表明，無論是在豎向還是在橫向地震載荷下，隨著地震烈度的增加，裂尖等效塑性應(yīng)變面積均增加，但在橫向地震載荷下，裂尖等效塑性應(yīng)變面積增加更為快速。在Ⅵ和Ⅶ級地震烈度下，豎向地震載荷較橫向地震載荷帶來的影響更大；隨著地震烈度的增加，在Ⅷ和Ⅸ級地震烈度下，橫向地震載荷帶來的影響急劇增加，遠(yuǎn)超過豎向地震載荷的影響。豎向?qū)嶋H地震載荷對裂尖等效塑性應(yīng)變面積的影響與震級和地震加速度時程曲線有關(guān)，橫向?qū)嶋H地震載荷對裂尖等效塑性應(yīng)變面積的影響與地震加速度時程曲線有關(guān)。

關(guān)鍵詞：豎向地震載荷；橫向地震載荷；地震烈度；實(shí)際地震；裂尖應(yīng)變場；風(fēng)力機(jī)塔筒

中圖分類號：TH114；O346 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 007

0 引言

近年來，隨著我國能源結(jié)構(gòu)的逐漸調(diào)整，風(fēng)電作為一種清潔、高效、無污染的新能源得以迅速發(fā)展，以風(fēng)能等清潔能源為支撐的新型能源體系逐步建立［1］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)塔筒和基座組成，其中塔筒主要負(fù)責(zé)支撐葉片和機(jī)艙等裝置。風(fēng)力機(jī)塔筒是典型的輕薄壁高聳結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)本身就超越彈性極限接近破壞，加之底部門洞的存在，使其處于強(qiáng)度削弱狀態(tài)。在載荷作用下，塔筒門洞處很容易產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致破壞［2］。國內(nèi)外均發(fā)生了多起風(fēng)力機(jī)塔筒遭受破壞的事故［3］。

地震是群禍之首，是對人類生命財產(chǎn)破壞最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一［4］。地震對塔筒這種高聳結(jié)構(gòu)的危害更為嚴(yán)重，塔筒會因受到地震載荷的作用而發(fā)生傾覆倒塌［5］63。地震包含豎向地震和橫向地震兩個分量，橫向地震一直被認(rèn)為在地震中起著關(guān)鍵作用；但近年來全球范圍內(nèi)所發(fā)生的強(qiáng)烈地震中，豎向地震也帶來了嚴(yán)重影響。大量的地震現(xiàn)象表明，豎向地震在結(jié)構(gòu)的損傷中同樣扮演著重要角色［6-8］，強(qiáng)烈的豎向地震載荷會使材料產(chǎn)生高應(yīng)變速率，并在材料應(yīng)力集中處產(chǎn)生突變，進(jìn)而對材料的力學(xué)行為產(chǎn)生影響［9］。

針對地震載荷對風(fēng)力機(jī)塔筒力學(xué)行為的影響，學(xué)者們已進(jìn)行了一些研究。祝磊等［10］以塔架模型與完整風(fēng)力機(jī)機(jī)組模型為研究對象，對其在地震載荷下的動力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，通過有限元法將風(fēng)力機(jī)葉輪和機(jī)艙質(zhì)量集中在塔筒頂部和搭建含葉輪機(jī)艙的完整模型時的一階響應(yīng)基本相同。SADOWSKI等［11］以某70 m高的風(fēng)力機(jī)塔筒為研究對象，進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)塔筒存在幾何缺陷時的地震響應(yīng)分析，結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)塔筒對地震作用的敏感性因幾何缺陷的存在而顯著提高。何玉林等［12］通過多柔體聯(lián)合仿真技術(shù)，以某2 MW風(fēng)力機(jī)為對象進(jìn)行研究，證明地震載荷會明顯影響塔筒的變形。ASAREH等［13］以某5 MW風(fēng)力機(jī)為研究對象，進(jìn)行了不同風(fēng)速、地震載荷下風(fēng)力機(jī)的地震響應(yīng)分析，結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)的應(yīng)力狀態(tài)與風(fēng)速-地震組合呈非線性相關(guān)；且額定風(fēng)速-地震組合時，塔筒底部彎矩幅值最大。宋波等［14］采用Ansys有限元軟件進(jìn)行建模，并通過時程分析法得到了不同地震載荷下風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的非線性動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。