風電機組鋼塔筒門框結構尺寸參數的優(yōu)化

馬武福 孫仲澤 翟乾俊 蘭成坤 萬雄斌

摘 要：風電機組鋼塔筒門框式門洞是塔筒結構強度相對薄弱的區(qū)域，與塔筒的結構安全、塔筒重量等緊密相關。為實現減小鋼塔筒門框式門洞筒壁的應力集中系數、減輕門框重量等目標，現采用分析軟件對鋼塔筒門框結構尺寸參數進行了優(yōu)化設計，并對優(yōu)化方案進行驗證評估，得到了更加經濟合理的設計方案。

關鍵詞：風電機組；鋼塔筒；門框式門洞；結構參數優(yōu)化

中圖分類號：TM315? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0021-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.006

0? ? 引言

風電機組鋼塔筒塔架因結構簡單、制造工業(yè)化程度高、可模塊化等優(yōu)勢而被廣泛采用，其中大量鋼塔筒在下段設置門洞作為運維通道，并采用門框在一定程度上加強塔筒門洞[1]。鋼塔筒研制中門框式門洞的合理設計，不僅要保證塔筒門洞具有足夠的強度、剛度、抗疲勞能力，避免因門洞因素引起的塔筒開裂甚至倒塔等，還要快速實現塔筒的合理重量與輕量化等設計。本文采用有限元分析軟件等，結合鋼塔筒門框式門洞處筒壁焊趾的強度與疲勞評估要求，對某機型鋼塔筒門框式門洞的結構參數進行優(yōu)化設計，并對優(yōu)化前后的門洞筒壁進行應力、疲勞壽命、屈曲等對比計算，得到了更經濟合理的設計方案。

1? ? 有限元模型建立

1.1? ? 結構與參數描述

門框式門洞，上下兩端為對稱橢圓，其結構參數如圖1所示。門洞：長度Dl=2 840 mm、寬度Dw=860 mm、平行段長度Dp=820 mm；門框：厚度Ft=80 mm、沿塔筒直徑方向總高度Fw=245 mm、凸出塔筒外壁的高度（外凸高）Fo=45 mm；塔筒：外直徑Dt=4 500 mm、壁厚t=46 mm；門框、塔筒筒壁材料牌號均為S355，材料參數為：彈性模量E=2.1×105 MPa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7.83×10-9 t/mm3；抗拉強度σb=450～680 MPa、屈服強度σs≥345 MPa（筒壁）、315 MPa（門框）。

1.2? ? 優(yōu)化模型描述

優(yōu)化模型基于鋼塔筒門框式門洞的筒壁焊趾應力計算方法建立，焊趾應力采用圖2所示焊縫熱點應力法進行建模與計算。一般地，鋼塔筒門框式門洞的筒壁厚t比門框厚度Ft小，因此用筒壁上參考點（分別為0.4t、1.0t）的計算應力插值得到熱點（焊趾）應力。

考慮焊縫細節(jié)的有限元計算模型，其模型建立、應力計算、優(yōu)化計算等方法較為煩瑣復雜，因此建立優(yōu)化計算用有限元模型時，圖2所示應力計算方法用圖3所示方法來近似替代，即不考慮焊縫細節(jié)。

優(yōu)化計算載荷選用、結構范圍：風電機組的塔筒受載特點決定了塔筒承受的極限載荷及疲勞載荷各分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，其中My是主要載荷，因此只考慮My的作用。另外，塔筒是對稱結構，在對稱載荷My作用下的優(yōu)化計算模型只涉及含門洞區(qū)域塔段的半結構、等壁厚筒體（圖4），以減少計算規(guī)模，提高優(yōu)化計算效率。

計算模型的約束方式、載荷施加、數據處理：塔筒底部施加全約束，塔筒對稱面上施加對稱約束；在模型頂部施加載荷My。如前所述，由于My是主要載荷，因此其作用下的應力集中系數必然對筒壁極限應力、疲勞損傷有重要影響，因此只施加My計算筒壁的應力集中系數。門洞筒壁受拉是較為不利的情況，因此基于應力集中系數計算的優(yōu)化模型中，施加的載荷My是使門洞筒壁受拉、在門洞區(qū)域筒壁上產生最大名義彎曲應力為1 MPa時的載荷。

對于外直徑Dt=4 500 mm、筒壁厚t=46 mm的門洞處筒壁半模型，My=3.62×108 N·mm。此時筒壁應力集中系數（或熱點應力）Scf按公式（1）進行計算[2]：

Scf=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：σ0.4t為參考點1（距離熱點/焊趾0.4t）的應力；σ1.0t為參考點2（距離熱點/焊趾1.0t）的應力。

一般地，σ0.4t越大，應力集中系數越大，因此在優(yōu)化計算用模型中，提取0.4t處的第一主應力，近似作為筒壁熱點（焊趾）應力或應力集中系數。圖5、圖6為優(yōu)化用模型計算的門洞區(qū)域第一主應力云圖。

2? ? 優(yōu)化參數設置

門框式門洞筒壁在載荷My下的應力集中系數大小與門框等的結構參數有關，筒壁的極限應力、疲勞壽命大小又與應力集中系數大小相關，應力集中系數越大，筒壁極限應力越大、疲勞壽命越短。因此，優(yōu)化計算的目的為降低門框式門洞筒壁的應力集中系數、門框的重量等。

采用ANSYS軟件的多目標優(yōu)化方法，基于上述有限元模型進行應力集中系數最小化、門框重量最小化等優(yōu)化計算。其中，將塔筒外直徑Dt=4 500 mm、壁厚t=46 mm、載荷My=3.62×108 N·mm、材料參數等設置為不變量，其余參數為設計變量、目標函數，約束關系如表1所示。如前所述，參考點1應力σ0.4t越大，應力集中系數越大；另外，塔筒直徑、壁厚等參數不變，門框重量越大，等效于塔筒重量越大；因此，優(yōu)化計算中的應力集中系數最小化、門框重量的最小化，用參考點1應力σ0.4t最小化、塔筒重量最小化來實現。

圖7、圖8為應力、塔筒重量等與重要設計變量的敏感性分析結果。從優(yōu)化結果可知：門框式門洞處筒壁的應力σ0.4t（參數P7，對應于應力集中系數）與門洞橢圓短半軸（參數P2）正相關，與門框厚度（參數P3）、內凸（參數P5）負相關，即可通過盡量減小門洞寬度、增加門框厚度[4]、增加門框內凸等來降低應力集中系數；門洞橢圓長半軸（參數P1）與塔筒重量（參數P8，對應于門框重量）負相關，門框厚度（參數P3）、門框外凸（參數P4）、門框內凸（參數P5）、門框平行段長度（參數P6）與塔筒重量正相關，即增大P1及減小P3、P4、P5、P6等參數，能減輕塔筒（門框）的重量。

表2為優(yōu)化計算得到的3種候選方案及基于候選方案1調整得到的優(yōu)化方案，其中優(yōu)化方案的應力計算采用公式（1）。

從表2可知，基于候選方案1取整得到的優(yōu)化方案，參考點1應力σ0.4t、塔筒重量等與候選方案1相差不大，表明基于候選方案調整得到的優(yōu)化方案可用于后續(xù)的設計分析。

3? ? 優(yōu)化方案對比

表3為采用公式（1）對優(yōu)化前后門框式門洞處筒壁應力集中系數的計算結果。門框式門洞經優(yōu)化后的筒壁應力集中系數降低了20%；一般地，該處筒壁疲勞-壽命（S-N）曲線的斜率k=3～5，由此簡單推知，在同一疲勞載荷作用下，筒壁的疲勞壽命可提高1.7～2.5倍。優(yōu)化后的結構提升了結構的抗極限承載能力、抗疲勞能力。

4? ? 結論

鋼制塔筒門框式門洞，可用不含焊縫細節(jié)的模型，用距離門框0.4t、1.0t等位置的應力插值得到門框位置處的應力，進行應力集中、極限應力、疲勞壽命等計算與評估。

門框式門洞處筒壁的應力集中系數過大，會降低門框式門洞處筒壁的極限承載能力、抗疲勞能力，因此，對門框式門洞的結構參數進行降低應力集中系數的優(yōu)化設計，有助于設計更加合理的結構方案，還有助于鋼塔筒門框式結構的輕量化、降成本設計。

門框式門洞筒壁在載荷My下的應力集中系數大小與門洞位置的結構參數有關，筒壁的極限應力、疲勞壽命大小又與應力集中系數大小相關，應力集中系數越大，筒壁極限應力越大、疲勞壽命越短。采用本文的方法對鋼塔筒門框式門洞進行優(yōu)化設計，降低了筒壁應力集中系數和門框的用量成本，得到了滿足制造、工藝等要求的合理結構方案。

[參考文獻]

[1] 石秉楠，錢華，劉麒祥，等.風力發(fā)電機組塔筒門段結構優(yōu)化設計[J].東方汽輪機，2016（3）：67-69.

[2] HOBBACHER A F.Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components[M]. Berlin： Springer International Publishing，2016.

[3] GERMANISCHER LLOYD. Guideline for the Certifica-

tion of Wind Turbines[R].Hamburg：Germanischer Lloyd，2010.

[4] 楊振興，劉朝豐，張紫平.風力發(fā)電機組塔架門洞及其設計方法：CN102434408B[P].2015-07-22.

收稿日期：2023-04-17

作者簡介：馬武福（1970—），男，四川資陽人，高級工程師，研究方向：風電機組結構設計及仿真分析。

通信作者：翟乾?。?996—），男，湖北襄陽人，助理工程師，研究方向：風電塔架結構設計及仿真分析。