某型風電機組風向標損壞的有限元模態分析

陳志軍

風電機組振動模態分析作為研究結構動力特性的一種方法，在工程振動、故障診斷問題的分析和解決過程中發揮著重要作用。通過模態分析可以掌握結構在人們關心頻率范圍內的主要振動特性，進而預測結構在各種激勵下的振動響應。氣象站是每臺風電機組必須安裝的標準配置設備，是風電機組的“眼睛”，其重要性不言而喻。軸流風機是將外界的冷空氣強制導入發電機內部，給發電機散熱的關鍵設備。由于設備安裝空間所限，氣象站支架安裝固定在軸流風機平臺支架上。因此，軸流風機的每次開啟必然會引起振動而成為振動激勵源，加之設備制造初期未對軸流風機采取有效的隔振措施，強烈的振動通過設備支架傳導至氣象站支架，發生彎曲扭轉共振的可能性大大增加。

本文對某風電場某品牌風向標在安裝運行僅四個月內批量折斷問題進行原因分析。通過對風電機組機艙頂部平臺和安裝在該平臺上的氣象站所有設備參數的分析，對其在約束條件下的振動模態進行數值模擬分析，結果表明風向標的固有頻率與軸流風機振動激勵源的頻率極為接近，從而引發風向標共振，同時也驗證了有限元模型的可靠性，在此基礎上分析發生折斷的原因并提出解決問題的建議。模態分析理論及數學模型

風向標的模態分析是建立在模態分析理論及其數學模型基礎之上的，模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算機或試驗分析取得，計算或試驗分析的過程稱為模態分析。

振動模態是彈性結構固有的、整體的特性。如果通過模態分析的方法得出結構物體在某一易受影響的頻率范圍內各階的主要模態特性，就能夠預測結構在此頻率內實際振動響應。

一、動力學運動方程

（1）假定材料為線性材料;（2）忽略非線性行為和特征;（3）采用小撓度理論：（4）振型Фi只是相對值而非絕對值。風向標情況概述

本文分析對象為位于風電機組機艙平臺上的氣象站內的風向標。其外形尺寸如圖1所示。風向標由2個零件（注塑成一體的風向標尾翼和金屬制成的指向標頭）連接而成。風向標安裝在氣象站支架上，氣象站支架與機艙頂部平臺剛性連接，軸流風機固定在機艙頂部平臺安裝座上。

風向標振動模態分析

ABAQUS軟件是國際上通用的大型有限元分析軟件之一，適用于復雜工程問題和非線性問題的求解。軟件采用CAD建模和可視化視窗系統。人機界面良好，已廣泛應用于機械、化工、冶金、土木、水利、材料、航空等各個領域。本文以某風電機組氣象站的風向標為研究對象，利用ABAQUS軟件的C3D4線性四面體單元劃分構建風向標三維有限元模型，并進行振動模態分析。

一、幾何模型的建立

著眼于工程實際應用，本文將風向標三維實體模型（如圖2）的stp格式文件導入ABAQUS有限元分析軟件中進行網格劃分，獲得風向標的有限元模型（如圖3）。

二、材料屬性和單元設置

采用C3D4四面體單元，單元尺寸為0.1mm;采用振型疊加法。分析類型選擇攝動分析步（1inear perturbation），采用Lanczos求解器，并設定特征值階數為12。

三、邊界條件和網格劃分

如圖4所示，利用ABAQUS有限元分析軟件進行網格劃分，單元形狀為四面體;幾何階次為線性：單元類型為C3D4：單元數量為：239418個（尾翼189386個+指向頭50032個）;約束位置如圖4所示，對連接面約束除了繞z軸旋轉自由度以外的所有自由度。

基于ABAQUS的風向標振動模態分析仿真

根據上述方法分析計算，可得到基于ABAQUS的風向標振動模態分析的前12階振型仿真結果（如圖5），以及模態振型（如圖6）。風電機組運行機艙平臺的實測振動數據

用振動測試儀對現場4臺風向標發生損壞風電機組（3#、102#、13#、138#）的機艙頂部平臺振動做了實際測量，數據如圖7-圖10所示，統計結果如表2所示。

分析圖表可知：

（1）機組未運行時，基本捕捉不到50Hz的振動頻率。

（2）軸流風機運行過程中，3#、102#、136#、138#四臺機組的振幅依次增大，四臺機組的風向標損壞支數也依次增加，振動頻率為50Hz。

從數量級上分析，損壞機組的振動數據是未損壞機組的5～10倍。

結語

本文采用大型有限元分析軟件ABAQUS對頻繁發生折斷的風向標進行了振動模態仿真計算，得出如下結論：

（1）風向標的2階和3階固有頻率與軸流風機的運行振動頻率非常接近，極易引起低階共振，且2階和3階振型表現為彎曲和扭轉的復合模態，是導致風向標發生折斷的主要原因。諧響應分析表明，風向標應力集中區域與風向標斷裂位置一致。建議通過選用不同運行頻率的軸流風機型號等措施調整軸流風機的運行頻率，有效地避免低階共振。

（2）現場實際測試的數據證實了軸流風機為50Hz頻率的振動激勵源，是直接導致風向標發生共振的根源，從而進一步驗證了有限元分析模型的可靠性，為今后查找振動失效問題的原因提供了有效的分析方法和理論依據。