縱向變厚度鋼板在風(fēng)電塔筒中的應(yīng)用及力學(xué)性能研究

文 | 丁宇楠，劉明，李文斌，祝磊

傳統(tǒng)風(fēng)電機組鋼塔筒由等厚鋼板卷制成環(huán)狀焊接而成，若干節(jié)塔筒焊接成20～30m長的塔段，段與段之間通過L型法蘭連接。風(fēng)電機組塔筒的主要薄弱部位為塔筒底部和塔筒變壁厚處，這些部位的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其余部位，這說明塔筒結(jié)構(gòu)的材料利用率相對較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計還有待改善。而采用LP（Longitudinally Profiled）鋼板制作塔筒是一種提高材料利用率的有效方法。所謂LP鋼板，是指采用變厚度軋制技術(shù)生產(chǎn)的、沿軋制方向厚度連續(xù)變化的鋼板。這種鋼板可以根據(jù)結(jié)構(gòu)服役時的受力情況來設(shè)計不同的鋼板縱向形狀和厚度尺寸，進而達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。日本、西歐等在20世紀(jì)七、八十年代就已經(jīng)開發(fā)出了變厚度軋制技術(shù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今LP鋼板已經(jīng)有了多種規(guī)格和品種（如圖1），并在船只建造和橋梁建設(shè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。我國變厚度鋼板軋制技術(shù)于本世紀(jì)初才開始發(fā)展，目前，鞍鋼已成功軋制出多種規(guī)格及厚度的LP鋼板。但是由于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范的滯后，我國尚未將LP鋼板大規(guī)模應(yīng)用于實際工程。

為探討將LP鋼板用于風(fēng)電機組塔筒的可行性，本文以某83m風(fēng)電機組塔筒為基礎(chǔ)，用LP鋼板替代傳統(tǒng)等厚度鋼板制作塔筒，運用ANSYS Workbench平臺對LP鋼板塔筒和傳統(tǒng)等厚塔筒的靜力性能進行分析，通過比較兩者前5階固有頻率以及水平靜載下塔頂位移與塔筒應(yīng)力情況的差別說明兩者在受力性能上的差異，進而論證采用LP鋼板制作塔筒的優(yōu)越性。

塔筒變厚度原則及建模

一、變厚度原則

塔筒的控制截面為底端截面，通過圖2所示的優(yōu)化方法，可以在不削弱控制截面的情況下減少鋼材用量，實現(xiàn)各段塔筒之間厚度的連續(xù)過渡。

圖1 常見LP鋼板品種

圖2 等厚度塔筒的優(yōu)化

表1 各節(jié)塔筒尺寸

二、建立塔筒模型

本文在建立塔筒模型的過程中簡化了塔筒內(nèi)的爬梯和平臺等附屬件，并且暫不考慮門洞的影響，將模型化為標(biāo)準(zhǔn)的薄壁圓錐筒件。塔筒可以認(rèn)為是一個懸臂結(jié)構(gòu)，因此，有限元模型底部的約束條件設(shè)置為固接。忽略焊接和法蘭連接的影響，塔段和塔段之間設(shè)為固接。分析中采用三維20節(jié)點SOLID186單元，鋼材屈服強度為345MPa，彈性模量取200GPa，泊松比取0.3。等厚度塔筒各節(jié)的具體尺寸參數(shù)見表1，LP鋼板塔筒基于圖2的優(yōu)化方法相應(yīng)變厚度，最終模型如圖3（等厚度塔筒與LP鋼板塔筒有限元模型外觀相同，因此未分別列出）。

塔筒結(jié)構(gòu)靜力分析

一、塔筒模態(tài)分析

利用ANSYS Workbench對塔筒模態(tài)進行求解，本文只比較塔筒受力性能的差異，計算時不考慮塔筒頂端機艙和葉片的重量，得到等厚度塔筒和LP鋼板塔筒模型前5階固有頻率如表2所示，其中LP鋼板塔筒振型見圖4。對比兩種塔筒的模態(tài)分析結(jié)果，二者前5階模態(tài)振型相同，頻率相差在4.2%之內(nèi)。

二、塔筒靜力分析

本文選取Bladed軟件計算得到的極端運行陣風(fēng)工況下的塔筒頂部極限荷載，部分荷載如表3所示，計算中考慮Mxy、Mz、Fxy和Fz四種荷載作用。經(jīng)有限元計算得到塔筒整體位移及Von-Mises等效應(yīng)力云圖，如圖5所示。其中LP鋼板塔筒頂端位移1147mm，最大應(yīng)力174.95MPa；等厚度塔筒頂端位移1113.3mm，最大應(yīng)力182.51MPa，可得兩者位移極值相差3%，應(yīng)力極值相差4.1%。

圖3 塔筒模型及有限元劃分

圖4 LP塔筒模態(tài)振型

表2 塔筒固有頻率

表3 塔筒頂部集中荷載

三、塔筒用料比較

經(jīng)ANSYS軟件統(tǒng)計，等厚度塔筒一共用鋼22.416m3，所用鋼材總重175.97t；LP鋼板塔筒一共用鋼21.708m3，所用鋼材總重170.41t，可知采用LP鋼板塔筒相比于等厚度塔筒可節(jié)約3.16%的用鋼量，即節(jié)約鋼材5t。

圖5 極限荷載作用下塔筒位移和應(yīng)力云圖

攝影：孫飛

根據(jù)有限元計算結(jié)果比較可知，LP鋼板塔筒在模態(tài)和靜力性能方面相對于傳統(tǒng)等厚度塔筒差異微小（差距均在5%之內(nèi)），采用LP鋼板制作風(fēng)電機組塔筒能在不影響其受力性能的情況下節(jié)約鋼材使用量。另外，傳統(tǒng)等厚度塔筒在筒節(jié)焊接時為了避免壁厚突變帶來的應(yīng)力集中，通常采用削邊處理的方式保證壁厚的平滑過渡，以提高焊縫疲勞壽命。而采用LP鋼板制造的塔筒則可以很好地解決焊縫應(yīng)力集中的問題，同時由于厚度的連續(xù)變化，LP鋼板塔筒還可自由選擇焊接截面，從而避免在高應(yīng)力截面施焊。

結(jié)論

本文對LP鋼板風(fēng)電機組塔筒和傳統(tǒng)等厚度塔筒進行了有限元分析研究，得到的主要結(jié)論為：采用LP鋼板制作的風(fēng)電塔筒在模態(tài)和靜力分析中與傳統(tǒng)等厚度塔筒性能相近，可在不降低受力性能的情況下節(jié)約塔筒整體用鋼量；連續(xù)變化的壁厚可以很好解決環(huán)向焊縫應(yīng)力集中的問題，進而可提升塔筒的疲勞壽命。因此，采用縱向變厚度鋼板制作風(fēng)電機組塔筒可以充分利用材料，改善塔筒受力性能，具有良好的應(yīng)用前景。