某型風力發電機組電纜爬梯平臺基于MIDAS/Gen的有限元分析

陳志軍

根據GB40533《固定式鋼梯及平臺安全要求》，應對工業用平臺設計的安全性進行評估，而計算平臺的剛強度即可實現對其安全性的有效評估。

MIDAS/Gen是建筑結構通用結構分析與優化的設計軟件，由全球大型鋼鐵公司韓國浦項制鐵集團開發。在結構設計方面，MIDAS/Gen全面強化了實際工作中結構分析所需要的各項功能。通過在已有的有限元庫中加入索單元、鉤單元、間隙單元等非線性單元，結合施工階段、時間依存性、幾何非線性等最新結構分析理論，計算出更加準確和切合實際的分析結果。采用自行開發的新概念CAD形式的技術完成建模，加以如Auto Mesh Generation、結構建模助手等高效自動化建模功能。特別是鋼結構的優化設計（OptimalDesign）功能可以在考慮多種設計要求的基礎上進行最優化的輕量設計，從而提高效率和精確性。相比于其他計算軟件，運用MIDAS/Gen計算鋼結構件平臺框架，更加高效和便捷，計算結果更加精準。

在新研發的某型風力發電機組中，設計了連接塔筒和機艙的電纜爬梯平臺（Y1版）。該設計創新性地把爬梯和電纜固定支架以及檢修平臺設計成一個整體，減少了制造和安裝工作量。但使用結構分析軟件MIDAS/Gen對其做剛強度分析發現，該設計存在安全問題，因此，重新設計了電纜爬梯平臺（Y2版）。對比Y2版和Y1版的鋼結構件有限元分析結果發現，Y2版較Y1版在強度和剛度方面均有較大提升，消除了之前的安全隱患，提升了平臺的可靠性。

結構設計和三維模型的建立

一、結構設計

電纜爬梯平臺在風力發電機組中是塔筒通向機艙的較為關鍵的結構件，是設計者根據新型機艙的特點創新設計的一套結構件，此結構件兼具人員攀爬、電纜通道、電纜固定承重、設備檢修平臺等功能。由于第一次在新型機組上使用，需要對其做有限元分析和剛強度校核。具體的結構及尺寸見表1。

二、三維模型的建立

三維模型采用三維設計軟件SolidWorks建立。首先建立頂部八邊形平臺板，再建立電纜出口和人孔口，根據電纜走向設計電纜爬梯，根據人孔口位置設計供人攀爬的鋼爬梯，將兩個爬梯焊接成截面為三角形的框架結構，如圖1所示。MIDAS/Gen有限元分析

一、有限元分析模型建立和網格劃分

為了便于對電纜爬梯平臺做有限元靜態分析，需要根據三維模型尺寸，在MIDAS軟件的截面庫中選用相應的板單元和梁單元對三維模型簡化重構，形成MIDAS數值分析三維模型。MIDAS/Gen軟件所采用的板單元，根據平面外剛度不同可以劃分為薄板單元DKT、DKQ（DiscreteKirchhoff Element）和厚板單元DKMT、DKMQ（DisereteKirchhoff-Mindlin Element）兩種。由于板單元考慮了局部剪切應力的影響，因此，無論薄板單元和厚板單元都能計算出比較準確的結果。梁單元具有拉壓剪彎扭的變形剛度，根據Timoshenko Beam Theory，也可以得到非常準確的結果。

利用軟件的自動網格劃分功能。可以將梁單元和板單元進行網格節點耦合，從而高效地對復雜結構件進行網格劃分，如圖2所示。

二、單元材料參數

電纜爬梯平臺的材料采用Q235B鋼材，屬性為線彈性各向同性。鋼材的彈性模量為2.06×10⁸kN/m²，泊松比為03容量為76.98kN/m³。

三、載荷及邊界條件

電纜爬梯平臺參照GB4053《固定式鋼梯及平臺安全要求》第3部分對工業防護欄桿及鋼平臺的要求，整個平臺區域內應能承受不小于3kN/m²均勻分布活載荷。平臺地板在設計載荷下的撓曲變形應不大于10 mm或跨度的1/200（兩者取小值）;人員踩踏爬梯踏棍的節點荷載為1kN;電纜載荷為均布荷載。取值為13N/mm，載荷施加位置如圖3所示。

邊界條件：改進前為18個板單元節點鉸接固定：改進后為16個板單元節點鉸接固定加上2個梁單元鉸接固定，如圖4所示。

計算結果與分析

一、剛強度計算結果

根據上述有限元模型，改進前電纜爬梯安裝固定方式是：沿著平臺板周圍取18個點用螺栓與機艙鑄件連接，為了彌補平臺板剛度的不足，在平臺板背面焊接截面為120mmX6mm的4條扁鋼。計算結果顯示，在螺栓連接位置出現應力集中。

改進后將主梁角鋼BL120mmX80mmX6mm的兩端。通過節點固定在機艙鑄件上，從而使受力情況大為改觀，同時取消之前的4條120mmX 6mm扁鋼加強筋。以下是改進前后的計算對比結果（如圖5-圖7）。

分析電纜爬梯平臺應力分布云圖可知，改進前板單元最大應力集中在邊界約束的板單元鉸接點上，也就是說板單元作為邊界條件的鉸接撐點會引起局部應力過大，使板單元存在局部撕裂失效的隱患。將板單元背面增加角鋼支撐梁后，板單元應力集中問題得到徹底解決，整體的強度和撓度均滿足GB4053《固定式鋼梯及平臺安全要求》第3部分對工業防護欄桿及鋼平臺的要求。

二、極端工況下的計算結果分析

在進行偏航電機減速機（質量為500kg，與平臺接觸尺寸為200mmX200mm）安裝和檢修的過程中，將存在減速電機在平臺鋼板任意位置出現的極端工況。現將此特殊工況模擬為壓力荷載，計算壓力值為0.125N/mm²，分別加載到平臺板3個不同危險點，計算結果如圖8所示。由圖可知，在對平臺進行檢修作業時，板單元強度仍可以滿足使用要求，具有足夠的強度儲備。

結語

本文采用土木工程通用的有限元分析軟件MIDAS/Gen對全新設計的電纜爬梯平臺進行有限元數值計算，得出如下結論：

（1）電纜爬梯平臺Y1版的安裝固定位置存在問題，只用板單元支撐整個平臺是不安全的，板單元存在因應力集中而發生撕裂的隱患，必須施加補強措施。通過在平臺背面增加支撐梁，同時將支撐梁固定在機艙鋼鑄件上，極大改變了整個平臺的應力分布，最大板單元應力從369MPa降低為156MPa，消除了平臺隱患。提高了機組運行的安全性。

（2）模擬計算將一臺減速電機放置在平臺3個危險點的極端工況，計算結果表明極端工況可滿足剛強度使用要求。

（3）電纜爬梯結構件的安裝固定形式非常關鍵，如果安裝方式合理，不僅能夠大大提高安全性，而且可以優化設計、節約鋼材。