某風力發電場兆瓦級風電機組塔筒加固方案有限元分析

太原重工股份有限公司技術中心　李永亮

某風力發電場兆瓦級風電機組塔筒基礎由于錨栓質量原因出現問題后，結合現場實際情況確定出兩種較佳的塔筒加固設計方案。本文針對這兩種加固設計方案結合有限元分析程序NX Nastran且有分別建立仿真模型進行有限元分析，通過對仿真數據進行比對研究，并結合相應的規范進行評定，確定出符合設計要求可行性的加固設計方案。為解決現場塔筒加固問題提供依據和參考，同時為同類型塔筒的受力校核、改進優化提供有益借鑒。

一、引言

塔筒是風力發電機組中的主要支承裝置，尤其是大型風力發電機組，其高度都在數十米以上，它將風力機與地面聯接，為水平軸葉輪提供需要的高度，而且要承受極限風速產生的載荷。塔筒的安全性能非常關鍵，其安全可靠性是整個風力發電機組正常工作的前提。

某風力發電場兆瓦級風電機組塔筒底部法蘭與基礎連接螺栓由于質量問題，局部出現裂紋，而塔筒底部及基礎是塔筒受力最大的部分，其要承受巨大的彎矩作用，錨栓出現問題嚴重影響到整個風力發電機組的安全，因此急需結合現場條件，設計確定出合理可行的塔筒加固方案，以確保整臺機組的安全可靠。本文針對兩種加固設計方案，利用有限元分析程序NX Nastran分別建立三維裝配模型、有限元仿真模型，施加極限載荷工況進行有限元分析，通過對仿真數據進行分析比對，結合相應的設計校核規范對加固設計方案進行評定，確定出符合設計要求的可行性方案。為解決工程實際問題，實現塔筒加固，確保風力發電機組安全可靠運行提供依據和參考。

二、 塔筒兩種加固方案仿真模型的建立

結合風場現場實際情況，確定出兩種較佳的塔筒加固設計方案。在距離塔筒底法蘭一定高度區域設計抱箍與塔筒根部打孔，通過3排螺栓連接，螺栓施加一定的預緊力。抱箍底部通過錨栓與地基連接，以達到整體加固的效果，詳細的連接方式如圖1所示。

圖1　塔筒基礎加固方案抱箍與塔筒連接示意圖

其中，方案一為：在抱箍和塔筒根部之間采用3×60個M42高強度螺栓進行連接，施加螺栓預緊力672kN。方案二為：在抱箍和塔筒根部之間采用3×90個M30高強度螺栓進行連接，施加螺栓預緊力355kN。選用NX10.0建立塔筒、抱箍的三維裝配模型，同時選用有限元分析程序NX Nastran10.0，根據塔筒及抱箍的結構特性建立有限元仿真模型，進行網格劃分。其中抱箍、塔筒根部（距離塔筒底法蘭一定高度區域與抱箍連接區域）采用3D 8節點6面體單元建立。抱箍與塔筒根部的單元采用網格匹配技術實現接觸網格高質量劃分，運用接觸算法進行模擬。分別建立方案1中180根 M42和方案2中270根M30高強度螺栓模型，塔筒上部筒體結構采用選用2D Shell殼單元建立。建立的有限元計算模型如圖2、圖3所示。其中單元總數324658，節點總數481694。

圖2　塔筒基礎加固方案抱箍與塔筒網格劃分示意圖

圖3　塔筒上部網格劃分示意圖

塔筒與抱箍選用材料Q345。彈性模量E均為210GPa，泊松系數為0.3，密度為7.85×103kg/m3。鋼材的屈服極限σs及強度極限σb如表1所示。

表1鋼材的力學特性

抱箍與塔筒連接螺栓選用10.9級高強度螺栓，其強度極限σb為1000MPa，屈服極限σs為900MPa。塔筒有限元模型采用塔筒頂部坐標系，原點位于塔筒中心軸與塔筒頂部上緣的交點處，該坐標系如圖4所示，不隨機艙罩旋轉。

三、邊界條件及載荷工況

結合現場實際情況，塔筒加固設計方案中抱箍底部與塔筒根部法蘭與地基錨接，因此約束抱箍底部與塔筒根部法蘭的全部位移自由度。抱箍與塔筒筒體貼合部位采用接觸算法模擬。其中對180根M42高強度螺栓施加預緊力627kN、對270根M30高強度螺栓施加預緊力335kN。詳細的邊界約束條件如圖5所示。

圖4　塔筒頂部坐標系

圖5 塔筒加強方案邊界約束條件示意圖

根據塔筒頂部截面處的極限載荷工況（表2），選取了對塔筒影響最大工況Fx Max中相應的載荷數據分別對兩種塔筒加強方案進行有限元計算及對比分析。其中相應的極限載荷施加在塔筒頂部截面位置處。

表2 塔筒頂部截面處的極限載荷

四、塔筒加固方案有限元計算結果及分析

應用NX Nastran10.0 對2種塔筒根部加固設計方案仿真模型在極限載荷工況下分別進行有限元分析，將計算結果進行匯總對比。計算結果如圖6～9所示，圖中不同的顏色表示不同的位移或應力，數值與圖中左側的彩色標尺上的數字相對應。其中，Von Mises等效應力是按第四強度理論確定的。σ1、σ2、σ3為主應力，且有 σ1＞σ2＞σ3。

由圖6可知，該兆瓦級風機塔筒加固方案在極限載荷工況下，整體等效應力相對不高，均在190MPa左右。但是兩種加固設計方案在局部加強的區域均出現了應力集中現象，特別是在抱箍與塔筒連接的螺栓孔位置及抱箍與塔筒接觸的位置，如圖7～9所示。

圖6　塔筒加固方案整體VON MISES等效應力云圖

其中，加固設計方案一中，抱箍與塔筒根部螺栓連接孔接觸位置處局部最大Von Mises等效應力為261.38MPa，塔筒根部法蘭與抱箍接觸位置處最大Von Mises等效應力為209.40MPa，抱箍與塔筒連接螺栓最大Von Mises應力766.57MPa。塔筒基礎修復方案2時，抱箍與塔筒根部螺栓連接孔接觸位置處局部最大的Von Mises等效應力為199.36MPa，塔筒根部法蘭與抱箍接觸位置處最大Von Mises等效應力為212.20MPa，抱箍與塔筒連接螺栓最大Von Mises應力806.72MPa。將兩種加固設計方案有限元計算結果匯總于表3中。

圖7 塔筒加固方案抱箍VON MISES等效應力云圖

圖 8　塔筒與抱箍接觸應力分布云圖

圖 9 塔筒與抱箍連接螺栓VON MISES 等效應力示意圖

表3　塔筒頂部截面處的極限載荷

根據GL規范及GB/T18451.1-2012《風力發電機組設計要求》關于極限強度分析的安全系數選取規定：分為載荷局部安全系數、材料局部安全系數、失效后果局部安全系數。載荷局部安全系數在載荷計算中已考慮，金屬材料局部安全系數γM=1.1，重要局部安全系數γM=1.3（塔筒按三類構件進行考慮），故取應力安全系數n=1.1×1.3=1.43，塔筒筒體材料的屈服極限σs=335MPa，筒體的許用應力335/1.43=234MPa。有表3中計算結果可知，塔筒加固設計方案1抱箍與塔筒局部最大應力值為261.38MPa，超過了塔筒筒體的許用極限值。

塔筒加固設計方案2中抱箍與塔筒局部最大應力值為212.20MPa，小于塔筒筒體的許用極限值。但是由于抱箍和塔筒連接螺栓及螺栓孔直徑變小，其最大等效應力增大，局部多個螺栓最大等效應力超過了許用值783MPa。因此建議將螺栓等級調整為12.9級。同時，需要結合現場情況，確保抱箍與塔筒的貼合程度以及連接螺栓孔的加工質量等。

五、結語

本文依據GL規范，結合有限元分析程序NX Nastran，采用有限元方法對某風力發電場兆瓦級風電機組塔筒兩種加固設計方案在極限載荷工況下進行了分析對比，并結合相應的規范進行了評定，由有限元計算結果數據對比可知，塔筒加固設計方案2將連接螺栓等級提高1級后可以滿足設計要求，同時需要確保抱箍及螺栓孔的加工質量。為解決現場塔筒加固問題提供數據依據和參考，為同類型塔筒的受力校核、改進優化提供有益借鑒。