基于ANSYS Workbench的大型風電機組塔架模態分析*

張曉峰，王建東，劉赟

（1. 河西學院物理與機電工程學院，甘肅 張掖 734000；2. 甘肅電力公司風電技術中心，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

大型風電機組塔架頂端安裝有較大質量的機艙和旋轉的風輪，塔架受到它們的載荷和葉片旋轉產生的動載荷。此外，在自然風的作用下，風速、風向和風壓會對塔架產生動載荷。由于它們的共同作用，會引起塔架的變形和振動，這種振動不但引起塔架的附加應力，影響結構強度，而且還會影響塔架頂端葉輪的變形和振動。同時， 塔架的振動有可能與葉輪旋轉產生共振，從而影響風電機組性能。本文對酒泉風電基地瓜州風電場某大型風電機組進行模態分析，分析結構動力固有特性，確定結構的固有頻率和固有振型，以了解其動態特性，從而判斷塔架固有頻率是否會與葉輪旋轉頻率重合，產生共振。

1 分析條件

1.1 模型簡化原則

（1）整體模型中建立法蘭，但不考慮兩法蘭之間的接觸影響使之成為一體；

（2） 不考慮法蘭上的螺栓、塔架內部的附屬結構等構件。塔架內部爬梯質量小，對塔架有限元分析不會產生影響，可省略處理；

（3） 在變厚度的塔壁處, 使塔架壁呈現1：4的漸變,不考慮焊接的諸如焊縫缺陷、殘余應力；

（4）塔頂質量模擬。考慮機艙、輪轂和葉片質量及轉動慣量對塔架模態的影響，在塔架頂端加載偏心Point mass質量單元；

（5）塔底質量模擬。在塔架底部基礎混凝土的重心位置創建一個質量單元，其質量大小與基礎混凝土質量相同；

（6） 塔架基礎鋼筋質量忽略。

1.2 分析條件

（1）塔架底部有門洞或無門洞；

（2）塔架頂端加載偏心Point mass模擬風輪和機架，與塔頂法蘭自動相連；塔架底部固定連接，即沒有基礎部分[1]；

（3）塔架頂部模擬方法同前，塔架底部用Point mass質量單元模擬混凝土基礎，用無質量剛性梁與混凝土連接[2]。

1.3 技術參數

某型1.5MW風電機組塔架為錐筒式，高度為57.65m，塔底外徑4m，塔頂外徑2.955m。塔架分為3段，通過法蘭連接，塔架各段尺寸如表1所列[3]。葉輪與機艙總質量為91000kg，塔架質量為90400kg，塔架基礎質量為780600kg；葉輪及機艙質量中心距塔架中軸線的距離為0.4m，地基質量中心距塔底中心的距離為0.8376m。風輪額定轉速為18rpm[4]。

表1 塔架各段尺寸

攝影：張曉龍

塔架所用材料為Q345E鋼，屈服強度σs=345MPa，彈性模量E=2.1GPa， 泊松比ν=0.3，密度ρ=7850kg/m3。塔架基礎所用材料為混凝土C40，彈性模量E=32.5GPa，泊松比ν=0.2，密度ρ=2500kg/m3。

2 分析流程

2.1 創建模態分析項目

啟動Ansys Workbench，進入項目管理區，雙擊左側Toolbox中的Analysis Systems→Modal選項，建立Modal分析項目。

2.2 添加材料信息

雙 擊Static Struc-tural中Engineering Data選 項，在Engineering Data窗口中，新建材料Q345E，添加彈性模量和泊松比，然后回到Project窗口。在Project界面中雙擊Model進入分析界面，更改模型材料。

2.3 導入幾何模型

在Pro/engineer5.0中建立塔架整體三維模型，點擊嵌入其中的Ansys14.5→Ansys Workbench 選項，直接將模型導入Modal分析樹Geometry中。

2.4 加載塔頂質量單元

Modal Mechanical環境下在Outline的目錄樹中，選中Geometry，右擊選擇Insert→Point mass，在Graphics中選中塔頂法蘭表面。在Details of “Point mass”中輸入質心坐標（0，57650，－400）和質量91000Kg。

2.5 加載塔底混凝土基礎質量單元

分析條件2下，在Outline的目錄樹中，選中Geometry，右擊選擇Insert→Point mass，在Graphics中選中塔底法蘭表面，在Details of “Point mass2”中輸入質心坐標（0，－0.8376，0）和質量780600Kg。加載有質量單元的塔架三維模型如圖1所示。

圖1 加載質量單元有門洞塔架的三維實體模型

2.6 網格劃分

選擇Mesh，右擊選擇網格尺寸選項Sizing，在Sizing的屬性菜單中，設定網格尺寸為100mm，由于計算機資源所限，網格尺寸小于100mm時，運算時間會很長；選擇Outline窗口中Project→Model→Mesh，右擊選擇Generate Mesh，對塔架進行網格劃分。總共得到768536個節點，386716個單元，塔架網格模型如圖2所示。

圖2 塔架網格模型

表2 塔架模態分析各階頻率及振型

表3 前10階固有頻率與風輪工作頻率的相對差

2.7 建立自動連接

右擊Model→選擇Insert→Connections選項，自動建立起塔頂質量單元與塔頂的連接關系。

2.8 施加固定約束

分析條件2下，右擊Analysis Settings，選擇Insert→FiexedSuppert選 項， 選Details of“FiexedSuppert”→Geometry，選擇塔架底面為固定端，建立約束。

2.9 建立剛性梁連接

分析條件3下，右擊Connections→選擇Insert→beam選項，在Details of “Circular…”中，設置Material為混凝土concrete，Radius為2m，Scope為Body－Ground，參考坐標等。塔架底部與混凝土基礎質量單元的剛性梁連接如圖3所示。

2.10 設置求解項

右擊Solution，選擇Deformation→Total選項；單擊F2快捷鍵，更名為Total Deformation－Mode 1；采用同樣方法，添加2～6階模態求解項。

2.11 求解

右擊Solution，選擇Solve選項，彈出進度顯示條，表示正在求解，當求解完成后進度條自行消失。

2.12 顯示結果

求解結束將得到Graph圖形和Tabular Data表，給出對應模態頻率條形和頻率表。選擇Solution/TotalDeformationMode 1～6，可顯示各階振型；選擇Report Preview，可顯示完整的項目分析報告。

圖3 剛性梁連接

圖4 1、2階振型

圖5 3、4階振型

3 分析結果

塔架模態分析各階頻率如表2所列。

塔架模態分析各階振型如圖4至圖6所示。

4 分析討論

塔架固定端約束前6階固有頻率與風輪工作頻率的相對差如表3所列[5]。

圖7為塔架1－10階固有頻率柱形圖，由圖可看出：四種情況下的1、2階固有頻率相差不大，3－9階無門洞塔架底部固定連接時固有頻率較有門洞時小，但根據振動理論,塔架振動過程中的能量主要集中于1、2階頻率處，則可認為門洞對塔架固有頻率的影響很小，可以忽略；塔架底部固定連接時，無門洞塔架3－9階固有頻率較有門洞塔架小，而且較考慮塔架混凝土基礎時的頻率也小[5]。

圖6 5、6階振型

圖7 塔架1—10階固有頻率柱形圖

攝影：王永軍

5 結論

（l）塔架的各階固有頻率與葉輪工作頻率、3 倍工作頻率差值都遠大于10%。因此，塔架不會和葉輪產生共振；

（2）門洞對塔架的固有頻率和振動形態影響很小，可以忽略其作用；

（3）無門洞塔架固定連接時對高階固有頻率有一定的影響。

[1] 李仁年,童躍,楊瑞.風力發電機塔架固有頻率和振型的有限元分析[J].甘肅科學學報，2011 (3)：76-79.

[2]王佼姣,施剛,石永久,王元清.考慮不同邊界約束條件下的風電機組塔架固有頻率分析[J]. 特種結構,2011(10):5-8.

[3]甘肅瓜州橋灣第一風電場200MW工程可行性研究報告[R].西安,2008.

[4]王朝勝.基于有限元法的風力發電機組塔架結構分析［D］.長沙：長沙理工大學，2010.

[5] 顧岳飛. 基于有限元分析的風電機組塔架結構正交試驗設計[J].風能, 2012(7):78-83.