基于Excel的風機塔筒筒體展開計算

袁帶英

（ 四川建筑職業技術學院， 四川 德陽 618000）

隨著風電市場的競爭日趨激烈，風力發電機組塔筒的研發、設計周期的不斷減短，同時，為滿足各種招、投標的需要，以最短時間設計出符合要求的塔筒已成為必然[1-2]。 而長期以來，塔筒設備的設計以傳統的經驗設計為主，主要依靠工程設計人員的手工設計計算，其開發過程事物繁雜、效率低、研發周期長。 如何解決這個矛盾，將成為企業贏得市場以及提高設計響應能力的關鍵。

風電機組塔筒的筒體展開計算經常會進行許多復雜繁瑣的設計計算， 如果用普通的方法， 不僅費時而且易出錯[3]。 目前，還沒有較好的專業軟件來處理，用編程的方式雖然可以解決某些具體問題但過于復雜。 因此， 需要尋找有效的手段提高設計計算的速度， 使一般的設計人員能方便地解決機械設計中的實際問題。 Excel是目前功能最強大、 技術最先進、 使用最方便、 應用最廣泛的智能化電子表格軟件，主要是應用于經濟統計和財務報表及其數據的計算處理， 其強大的數據處理功能、 圖表功能及數據庫管理功能也可為機械設計提供有力的幫助，從而減少設計的計算工作量，提高計算的準確性[4]。

1 塔筒筒體板料技術要求簡介

制造風機塔筒筒體所用的鋼板其各項理化性能指標應符合相關國家標準要求， 且需滿足I 級無損探傷要求[5]，厚度公差需滿足EN 10029 B 級要求[6]。 筒體鋼板大都是定制鋼板，按照設計圖紙要求將鋼板尺寸計算無誤后，然后鋼廠按照訂料尺寸進行軋制生產，最后發給用戶。 并且每一張鋼板基本沒有互換性，每一張重量都在6 t～20 t 之間，一旦出現差錯，后果無法設想。 另外，鋼板規格都很大，如果計算時將余量放大，將大大增加成本[7]。 既要保證鋼板下料，又要降低成本，所以對鋼板尺寸計算的下料編程準確性有著極高的要求。

風機塔筒一般由若干塔筒段組成，塔筒段有錐段。 有直段，直段可按圓柱環計算，難度不大，在此不作詳細介紹。 現根據圖紙已知條件利用數學公式， 對塔筒錐段鋼板下料尺寸進行軟件編程計算。下面以某塔筒錐段筒體為例，運用Excel軟件進行鋼板尺寸計算編程。

2 筒壁展開數學模型

塔筒筒壁大多為圓錐回轉面筒狀。 塔筒筒壁具有：結構簡單、同類型結構大體相同、計算過程基本固定、尺寸變化較明顯等特點[7]。

圖1 塔筒段筒節結構示意圖Fig. 1 Schematic of the cylindrical section of the tower segment

圖2 塔筒錐段結構示意圖Fig. 2 Schematic of the tower cone section

塔筒段每個筒節的小端外徑和大端外徑可由下列遞推公式計算出：

每個筒節的板料展開參數，可由下述公式計算得到

圖3 筒節正圓錐臺Fig. 3 Cone frustum of the cylindrical section

圖4 圓錐臺展開圖Fig. 4 Cone frustum unfolded

整錐臺高：

上部錐臺高：

整圓錐展開半徑：

上部圓錐展開半徑：

展開料夾角：

展開料大端弧長：

展開料小端弧長：

展開料大端弦長：

展開料小端弦長：

大小端弦心距：

展開料最大寬度：

其中，D為大端中徑；d為小端中徑；h為錐臺兩端中心線點間垂直距離。

3 Execl求解

已知塔筒段上、下兩端的外徑，塔筒段總高度（ 不含法蘭厚度的垂直高度），以及每個筒節的垂直高度和板厚，如圖5所示。

由上述已知參數，按照數學計算式（ 1），通過Excel編程， 計算出每個筒節的大端外徑和小端外徑，如表1所示。

圖5 塔筒段示意圖（ mm）Fig. 5 Tower segment schematic（ mm）

表1 塔筒段筒節外徑計算表Tab. 1 Table of outer diameters of the cylindrical section of the tower segment mm

根據表1計算所得到的數據，根據式（ 2）至（ 12）即可計算出筒節板料展開的理論長度A和理論寬度L，如表2所示。

將計算得到的展開小半徑r， 展開大半徑R，展開錐角α，輸入數控火焰切割機進行切割下料，就能準確無誤地對鋼板進行下料， 也就是表2中的紅色實線區域。

訂料時為了保證下料尺寸，經過實踐檢驗，在板料展開的理論長度和理論寬度上分別加15～20 mm，即為訂料尺寸[8]。 還可計算出相關重量信息，公式如下：

展開板料理論值：

訂料重量：

表2 筒節板料展開計算表Tab. 2 Table of the cylindrical section calculation unfolded

式中，ρ為鋼板密度。

4 結論

風電機組塔筒的設計計算具有一定規律性， 首次編制設計計算程序時， 較手工計算并不顯其很大的優越性， 但一經完成并作為文件存儲下來， 以后再遇到類似計算時， 便可很快地得出正確的計算結果[9]。Excel在風電機組塔筒筒體展開中的應用，為設計人員提供了一種非常方便的塔筒筒體參數化設計工具，大大提高設計效率，保證設計質量[10]，使工程技術人員擺脫繁重的重復勞動，具有較好的實用性，有效提高了設計響應能力。

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