風力發電機塔筒柔性連接結構優化分析

關媛媛　邢艷　劉大江

摘 要 文章探討風力發電機塔筒柔性連接結構特點。對塔筒剛性連接結構和柔性連接結構進行受力分析，對比分析數據，分析柔性連接的特點。結果表明，在基礎條件相同的情況下，柔性連接能減少焊接工序，降低由于焊接產生的焊接殘余熱應力，便于運輸，同時提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性。因此采用Solidworks三維軟件對塔筒剛性連接結構和柔性連接結構進行受力分析是可行的，結果與工程實際一致，提出的意見可用于指導工程實踐。

關鍵詞 塔筒；柔性結構；三維軟件；受力分析

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0142-02

傳統風力發電機塔筒一般分為3-6段，高45 m-100 m。每段長20 m-25 m，每段之間的鋼板滾制后通過焊接連接而成。風力發電機塔筒在工作過程中受到風向不斷變化，機組受風影響會發生擺動，塔筒的受力點在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口門，所以此段為塔筒的薄弱區域。因此為了確保風力發電機的正常運行，提高塔筒自身的可靠性，在設計塔筒結構時，必須充分考慮塔筒的強度和剛度，結構分析是一項重要的工作。

傳統風力發電機塔筒最下一段與上一段由焊接完成的連接，由于焊接結構截面變化大，過渡區域較陡，圓角較小處容易引起較大的應力集中，同時焊接過程避免不了的存在焊接參與熱應力，而且焊接過程產生的焊縫，熱影響區等的顯微組織與板材的基體組織有著顯著差異，造成強度不夠，此區域在塔筒搖擺工作過程中長時間受到拉伸與壓縮交變在和的作用[3]。殘余壓力會降低塔筒結構的強度，交變載荷會造成塔筒結構發生疲勞，最終會造成塔筒失效，同時如果風速急劇增大，會對底端產生沖擊載荷，焊縫的組織屬于鑄態組織結構，如果在焊接后熱處理不當會造成沖擊韌性性能不達標而使塔筒斷裂。

為解決上述技術問題，設計風力發電機柔性連接結構，目的是減少焊接工序，降低由于焊接產生的焊接殘余熱應力，便于運輸，同時提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性。現以2.5 MW風力發電機塔筒為例，應用三維分析軟件對剛性和柔性兩種結構進行受力分析，比較分析結果。

1 柔性連接結構特點

風力發電機塔筒柔性連接結構，見圖1。在最下端塔筒（序號1）與上一段塔筒（序號2）連接處的兩側設置外連接盤（序號3）和內連接盤（序號4），外連接盤和內連接盤與最下端塔筒通過螺栓連接，外連接盤和內連接盤與上一段塔筒通過螺栓連接，最下段塔筒與上一段塔筒之間設有減振墊（序號5），在塔筒工作過程中產生的交變載荷可以通過塔筒的搖擺，在減振墊上消除這些載荷，同時此種連接方式可有效消除風速突變塔筒搖擺產生的沖擊力，減輕對門框的壓力。

2 加載和求解

為了說明柔性連接的優點，建立兩種模型，一種是塔筒之間焊接，一種是塔筒之間柔性連接，見圖2，分別施加相同的約束和載荷，對比分析塔筒的危險受力點和變形最大位置。分別以第六節塔筒為例，仿真分析受力情況。

1）塔筒焊接形式受力變形圖（見圖3，圖4）

圖1 柔性連接示意圖 圖2 柔性連接三維建模圖

圖3 焊接最大應力示意圖

圖4 焊接最大位移示意圖

2）塔筒柔性連接受力變形圖（見圖5，圖6）

圖5 柔性連接最大應力示意圖

圖6 柔性連接最大位移示意圖

3）從以上4圖我們可以看出：

焊接形式：最大應力：63.969 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒頂部。

柔性連接：最大應力：75.873 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒頂部。

從以上數據可以看出，焊接形式連接時，最大應力位置在門框的邊緣，此處為塔筒的薄弱區域，容易產生應力集中；柔性連接時，最大應力和最大位移位置都在塔筒的上邊緣，并且裝配時此處增加減振墊，能緩沖各種載荷對塔筒的沖擊作用，實現塔筒安全使用。

3 結論

通過塔筒兩種連接結構受力分析的對比，柔性連接形式不僅改變了傳統的焊接方法，方便運輸；同時最大應力位置由原來的塔筒薄弱點改變成塔筒上端，并應用減振墊消除部分應力，提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性，此種連接結構安全可行，可以應用于實際生產。

參考文獻

[1]Tony Burton.風能技術[M].北京：科學出版社，2007.

[2]姜香梅.有限單元法在風力發電機組開發中的應用研究[M].新疆農業大學，2002（5）.

[3]李本立，宋憲耕，等.風力機結構動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[4]陸萍，黃珊秋，張俊.風力機塔架塔筒結構靜動態特性的有限元分析[J].太陽能學報，1997，18（4）.endprint

摘 要 文章探討風力發電機塔筒柔性連接結構特點。對塔筒剛性連接結構和柔性連接結構進行受力分析，對比分析數據，分析柔性連接的特點。結果表明，在基礎條件相同的情況下，柔性連接能減少焊接工序，降低由于焊接產生的焊接殘余熱應力，便于運輸，同時提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性。因此采用Solidworks三維軟件對塔筒剛性連接結構和柔性連接結構進行受力分析是可行的，結果與工程實際一致，提出的意見可用于指導工程實踐。

關鍵詞 塔筒；柔性結構；三維軟件；受力分析

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0142-02

傳統風力發電機塔筒一般分為3-6段，高45 m-100 m。每段長20 m-25 m，每段之間的鋼板滾制后通過焊接連接而成。風力發電機塔筒在工作過程中受到風向不斷變化，機組受風影響會發生擺動，塔筒的受力點在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口門，所以此段為塔筒的薄弱區域。因此為了確保風力發電機的正常運行，提高塔筒自身的可靠性，在設計塔筒結構時，必須充分考慮塔筒的強度和剛度，結構分析是一項重要的工作。

傳統風力發電機塔筒最下一段與上一段由焊接完成的連接，由于焊接結構截面變化大，過渡區域較陡，圓角較小處容易引起較大的應力集中，同時焊接過程避免不了的存在焊接參與熱應力，而且焊接過程產生的焊縫，熱影響區等的顯微組織與板材的基體組織有著顯著差異，造成強度不夠，此區域在塔筒搖擺工作過程中長時間受到拉伸與壓縮交變在和的作用[3]。殘余壓力會降低塔筒結構的強度，交變載荷會造成塔筒結構發生疲勞，最終會造成塔筒失效，同時如果風速急劇增大，會對底端產生沖擊載荷，焊縫的組織屬于鑄態組織結構，如果在焊接后熱處理不當會造成沖擊韌性性能不達標而使塔筒斷裂。

為解決上述技術問題，設計風力發電機柔性連接結構，目的是減少焊接工序，降低由于焊接產生的焊接殘余熱應力，便于運輸，同時提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性。現以2.5 MW風力發電機塔筒為例，應用三維分析軟件對剛性和柔性兩種結構進行受力分析，比較分析結果。

1 柔性連接結構特點

風力發電機塔筒柔性連接結構，見圖1。在最下端塔筒（序號1）與上一段塔筒（序號2）連接處的兩側設置外連接盤（序號3）和內連接盤（序號4），外連接盤和內連接盤與最下端塔筒通過螺栓連接，外連接盤和內連接盤與上一段塔筒通過螺栓連接，最下段塔筒與上一段塔筒之間設有減振墊（序號5），在塔筒工作過程中產生的交變載荷可以通過塔筒的搖擺，在減振墊上消除這些載荷，同時此種連接方式可有效消除風速突變塔筒搖擺產生的沖擊力，減輕對門框的壓力。

2 加載和求解

為了說明柔性連接的優點，建立兩種模型，一種是塔筒之間焊接，一種是塔筒之間柔性連接，見圖2，分別施加相同的約束和載荷，對比分析塔筒的危險受力點和變形最大位置。分別以第六節塔筒為例，仿真分析受力情況。

1）塔筒焊接形式受力變形圖（見圖3，圖4）

圖1 柔性連接示意圖 圖2 柔性連接三維建模圖

圖3 焊接最大應力示意圖

圖4 焊接最大位移示意圖

2）塔筒柔性連接受力變形圖（見圖5，圖6）

圖5 柔性連接最大應力示意圖

圖6 柔性連接最大位移示意圖

3）從以上4圖我們可以看出：

焊接形式：最大應力：63.969 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒頂部。

柔性連接：最大應力：75.873 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒頂部。

從以上數據可以看出，焊接形式連接時，最大應力位置在門框的邊緣，此處為塔筒的薄弱區域，容易產生應力集中；柔性連接時，最大應力和最大位移位置都在塔筒的上邊緣，并且裝配時此處增加減振墊，能緩沖各種載荷對塔筒的沖擊作用，實現塔筒安全使用。

3 結論

通過塔筒兩種連接結構受力分析的對比，柔性連接形式不僅改變了傳統的焊接方法，方便運輸；同時最大應力位置由原來的塔筒薄弱點改變成塔筒上端，并應用減振墊消除部分應力，提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性，此種連接結構安全可行，可以應用于實際生產。

參考文獻

[1]Tony Burton.風能技術[M].北京：科學出版社，2007.

[2]姜香梅.有限單元法在風力發電機組開發中的應用研究[M].新疆農業大學，2002（5）.

[3]李本立，宋憲耕，等.風力機結構動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[4]陸萍，黃珊秋，張俊.風力機塔架塔筒結構靜動態特性的有限元分析[J].太陽能學報，1997，18（4）.endprint

摘 要 文章探討風力發電機塔筒柔性連接結構特點。對塔筒剛性連接結構和柔性連接結構進行受力分析，對比分析數據，分析柔性連接的特點。結果表明，在基礎條件相同的情況下，柔性連接能減少焊接工序，降低由于焊接產生的焊接殘余熱應力，便于運輸，同時提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性。因此采用Solidworks三維軟件對塔筒剛性連接結構和柔性連接結構進行受力分析是可行的，結果與工程實際一致，提出的意見可用于指導工程實踐。

關鍵詞 塔筒；柔性結構；三維軟件；受力分析

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0142-02

傳統風力發電機塔筒一般分為3-6段，高45 m-100 m。每段長20 m-25 m，每段之間的鋼板滾制后通過焊接連接而成。風力發電機塔筒在工作過程中受到風向不斷變化，機組受風影響會發生擺動，塔筒的受力點在塔筒的下端，并且由于塔筒下端有入口門，所以此段為塔筒的薄弱區域。因此為了確保風力發電機的正常運行，提高塔筒自身的可靠性，在設計塔筒結構時，必須充分考慮塔筒的強度和剛度，結構分析是一項重要的工作。

傳統風力發電機塔筒最下一段與上一段由焊接完成的連接，由于焊接結構截面變化大，過渡區域較陡，圓角較小處容易引起較大的應力集中，同時焊接過程避免不了的存在焊接參與熱應力，而且焊接過程產生的焊縫，熱影響區等的顯微組織與板材的基體組織有著顯著差異，造成強度不夠，此區域在塔筒搖擺工作過程中長時間受到拉伸與壓縮交變在和的作用[3]。殘余壓力會降低塔筒結構的強度，交變載荷會造成塔筒結構發生疲勞，最終會造成塔筒失效，同時如果風速急劇增大，會對底端產生沖擊載荷，焊縫的組織屬于鑄態組織結構，如果在焊接后熱處理不當會造成沖擊韌性性能不達標而使塔筒斷裂。

為解決上述技術問題，設計風力發電機柔性連接結構，目的是減少焊接工序，降低由于焊接產生的焊接殘余熱應力，便于運輸，同時提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性。現以2.5 MW風力發電機塔筒為例，應用三維分析軟件對剛性和柔性兩種結構進行受力分析，比較分析結果。

1 柔性連接結構特點

風力發電機塔筒柔性連接結構，見圖1。在最下端塔筒（序號1）與上一段塔筒（序號2）連接處的兩側設置外連接盤（序號3）和內連接盤（序號4），外連接盤和內連接盤與最下端塔筒通過螺栓連接，外連接盤和內連接盤與上一段塔筒通過螺栓連接，最下段塔筒與上一段塔筒之間設有減振墊（序號5），在塔筒工作過程中產生的交變載荷可以通過塔筒的搖擺，在減振墊上消除這些載荷，同時此種連接方式可有效消除風速突變塔筒搖擺產生的沖擊力，減輕對門框的壓力。

2 加載和求解

為了說明柔性連接的優點，建立兩種模型，一種是塔筒之間焊接，一種是塔筒之間柔性連接，見圖2，分別施加相同的約束和載荷，對比分析塔筒的危險受力點和變形最大位置。分別以第六節塔筒為例，仿真分析受力情況。

1）塔筒焊接形式受力變形圖（見圖3，圖4）

圖1 柔性連接示意圖 圖2 柔性連接三維建模圖

圖3 焊接最大應力示意圖

圖4 焊接最大位移示意圖

2）塔筒柔性連接受力變形圖（見圖5，圖6）

圖5 柔性連接最大應力示意圖

圖6 柔性連接最大位移示意圖

3）從以上4圖我們可以看出：

焊接形式：最大應力：63.969 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.764 mm，位置在塔筒頂部。

柔性連接：最大應力：75.873 Mpa，位置在門框的邊緣；最大位移：1.872 mm，位置在塔筒頂部。

從以上數據可以看出，焊接形式連接時，最大應力位置在門框的邊緣，此處為塔筒的薄弱區域，容易產生應力集中；柔性連接時，最大應力和最大位移位置都在塔筒的上邊緣，并且裝配時此處增加減振墊，能緩沖各種載荷對塔筒的沖擊作用，實現塔筒安全使用。

3 結論

通過塔筒兩種連接結構受力分析的對比，柔性連接形式不僅改變了傳統的焊接方法，方便運輸；同時最大應力位置由原來的塔筒薄弱點改變成塔筒上端，并應用減振墊消除部分應力，提高塔筒強度，提高風力發電機塔筒的安全性，此種連接結構安全可行，可以應用于實際生產。

參考文獻

[1]Tony Burton.風能技術[M].北京：科學出版社，2007.

[2]姜香梅.有限單元法在風力發電機組開發中的應用研究[M].新疆農業大學，2002（5）.

[3]李本立，宋憲耕，等.風力機結構動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[4]陸萍，黃珊秋，張俊.風力機塔架塔筒結構靜動態特性的有限元分析[J].太陽能學報，1997，18（4）.endprint