大型風力機塔筒結構動力學與穩(wěn)定性分析.pdf

1、現代大型風力機塔架采用薄殼型筒狀高聳結構(以下簡稱塔筒)，高度近100m，底部直徑在5m以上，壁厚不到直徑的1/100,屬于典型的細長薄殼結構。塔筒底端固定，頂端自由且承受機艙和風輪的重力和氣動載荷，該結構形式容易發(fā)生振動和失穩(wěn)。隨著機組的單機容量不斷增大，重量和外型尺寸隨之增大，塔筒的高度也隨之增加，作用在塔筒上的重力載荷和氣動載荷交變性和時變性更加顯著。近年來，塔筒在風電機組運行過程中倒塌或失穩(wěn)的事故時有發(fā)生。因此，塔筒結構動力學和

2、穩(wěn)定性研究對風電機組的可靠性和安全性至關重要。
　　 本文以某2.5MW風力機塔筒(φ5.8m×φ3.2m×95.2m)為研究對象，運用理論分析和數值模擬方法研究了塔筒的動力學特性、疲勞、屈曲穩(wěn)定性?？紤]到風是風力機機組運行過程中主要的載荷源，由風產生的氣動載荷是塔筒動力響應、疲勞和屈曲穩(wěn)定性的直接原因。首先，參照IEC標準對風況及風速分布進行理論分析，并借助風力機專門軟件GHBladed模擬風速的概率分布以及風湍流分布情況；其

3、次，從理論上分析了機組各部件的載荷，主要是風輪所受的氣動載荷，參照德國勞埃德船級社規(guī)范(GL2010)和Bladed原理手冊，運用風力機專門軟件GHBladed模擬機組在各種工況(啟動、正常發(fā)電、緊急剎車、停機等)下的載荷，并將氣動載荷通過坐標變換等效轉換到塔筒頂端；最后，將模擬所得到的載荷施加到ANSYS塔簡分析模型上進行動力學及動態(tài)響應分析、疲勞分析和屈曲穩(wěn)定性分析。在研究過程中，得出了一些結論，總結如下：
　　 (1)在風

4、力機塔筒的結構動力響應中，低階模態(tài)占主要地位，高階模態(tài)對響應的貢獻很小，階數越高，其貢獻就越小。而且，由于結構阻尼的作用，響應中的高階部分衰減也很快，故高階模態(tài)可以忽略不計；
　　 (2)塔筒頂端機艙和風輪的總質量對塔筒的彎曲振動頻率有較大影響，塔筒的振動頻率隨頂端質量的增大顯著降低；
　　 (3)塔筒在機組運行過程伴隨著瞬態(tài)動力學響應過程，來自風速變化和運行工況下的動載荷對塔筒產生巨大的瞬態(tài)應力和變形，其瞬時值遠大于響

5、應的疊加值，對塔筒產生瞬時沖擊，易造成塔筒損壞；
　　 (4)在切出風速和額定風速條件下，塔筒損傷陣列主要集中在低應力副區(qū)域，不足以造成塔筒的失效；而在極限風速(70m/s)條件下，塔筒在高應力副區(qū)損傷較大，對塔筒的產生損傷破壞；
　　 (5)軸壓載荷以及風輪傳遞給塔筒的橫向載荷對塔筒的屈曲失穩(wěn)起主要作用；塔筒為缺陷敏感型結構，底部開設門洞塔筒的屈曲性能有很大影響，相同載荷情況下，圓弧形門洞比矩形門洞有更好的屈曲性能；沿