風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒門框式門洞的筒壁應(yīng)力計(jì)算方法研究與應(yīng)用

摘 要：風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒門框式門洞是塔筒結(jié)構(gòu)的相對復(fù)雜與薄弱區(qū)域，對該處筒壁進(jìn)行合理的應(yīng)力計(jì)算是鋼塔筒設(shè)計(jì)和評估的重要內(nèi)容。鑒于此，針對鋼塔筒門框式門洞筒壁的應(yīng)力計(jì)算要求，采用有限元分析軟件ANSYS對鋼塔筒門框式門洞筒壁應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并對比了不同計(jì)算方法下的應(yīng)力，最后提出了針對鋼塔筒門框式門洞筒壁應(yīng)力計(jì)算的一種簡便替代方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；鋼塔筒；門框式門洞；筒壁應(yīng)力

中圖分類號：TM315" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0009-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.002

0" " 引言

塔架是風(fēng)電機(jī)組的主要支撐結(jié)構(gòu)和受力部件，機(jī)組葉輪的氣動(dòng)載荷、慣性載荷等，都通過塔架傳遞到機(jī)組基礎(chǔ)[1]。鋼塔筒因其結(jié)構(gòu)和形狀簡單規(guī)整、易于制造和運(yùn)輸、現(xiàn)場吊裝與組裝快捷方便等優(yōu)勢，仍然是多年來風(fēng)電機(jī)組（陸上機(jī)組、海上機(jī)組）塔架的主要結(jié)構(gòu)形式。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備及整個(gè)機(jī)組的安裝、調(diào)試、運(yùn)維等，鋼塔筒下段都留有門洞，作為人員和設(shè)備進(jìn)出通道。門洞會(huì)削弱鋼塔筒筒壁，因此，當(dāng)前大多數(shù)鋼塔筒仍采用門框式門洞（圖1）去補(bǔ)強(qiáng)門洞[2-3]。

門框雖然對鋼塔筒門洞有一定加強(qiáng)，但由于門洞及門框等引起的結(jié)構(gòu)突變，且門洞筒壁仍是整個(gè)塔筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相對薄弱區(qū)域，合理地對門洞區(qū)域筒壁進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度評估，是塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容[4-6]。當(dāng)前，隨著風(fēng)電機(jī)組塔筒定制化、追求高發(fā)電量的塔筒高大化、追求綜合成本的塔筒輕量化等設(shè)計(jì)應(yīng)用需求，鋼塔筒門框式門洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需保證塔筒筒壁在風(fēng)電機(jī)組各種服役條件下的強(qiáng)度及承載能力，避免出現(xiàn)該區(qū)域因強(qiáng)度不足引起的塔筒開裂甚至倒塔等嚴(yán)重事故。董姝言等人[7]運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立某兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒門框的有限元模型，分析了其在極限載荷下的靜強(qiáng)度。龍凱等人[8]應(yīng)用有限元軟件MSC.Nastran和疲勞分析軟件DesignLife，針對一個(gè)2.0 MW直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組塔筒門洞，研究有限元方法在帶門框塔筒門洞焊點(diǎn)極限與疲勞強(qiáng)度分析中的應(yīng)用。

一般地，鋼塔筒門框式門洞為門框（鍛壓件或鋼板卷制件）、筒壁（軋制鋼板）等組焊而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，焊縫區(qū)域及細(xì)節(jié)對筒壁應(yīng)力有很大影響，因此需要建立帶焊縫細(xì)節(jié)的有限元計(jì)算模型對筒壁進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算及強(qiáng)度評估。而計(jì)算模型中包含焊縫細(xì)節(jié)，往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力甚至不易實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重影響計(jì)算模型建立、計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等效率。本文采用有限元分析軟件ANSYS，結(jié)合鋼塔筒門框式門洞筒壁應(yīng)力的計(jì)算要求，建立有限元模型進(jìn)行筒壁應(yīng)力計(jì)算，比較不同計(jì)算方法的筒壁應(yīng)力，提出一種簡便可行的計(jì)算方法。

1" " 應(yīng)力計(jì)算與分析

1.1" " 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

針對某機(jī)型鋼塔筒門框式門洞筒壁進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析。如圖2所示，該門洞上下兩端為對稱橢圓，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

1）塔筒：外直徑D_t、壁厚t；

2）門洞：長度D_l、寬度D_w、平行段長度D_p；

3）門框：厚度F_t、沿塔筒徑向高度F_w、門框上端或下端伸出塔筒外壁的高度（外伸量）F_o；

4）門框與門洞筒壁之間為帶鈍邊K形焊縫，取焊腳寬度W_l=20 mm。

門框、塔筒筒壁材料牌號均為S355，彈性模量E=2.1×10⁵ MPa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7.83×10^-9 t/mm³。

1.2" " 有限元計(jì)算模型

采用圖3所示熱點(diǎn)應(yīng)力（hot spot stress）法[9]來建立鋼塔筒門框式門洞筒壁的應(yīng)力計(jì)算有限元模型。一般地，鋼塔筒門框式門洞的筒壁厚t比門框厚度Ft小，因此熱點(diǎn)（焊縫焊趾）應(yīng)力由筒壁上距熱點(diǎn)一定位置（參考點(diǎn)）的應(yīng)力插值得到。

圖4為建立的有限元模型。主要內(nèi)容為：采用SOLID186單元進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分以保證計(jì)算精度；對門框及附近區(qū)域采用映射網(wǎng)格劃分以便于數(shù)據(jù)提取；門框及附近區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化、其余區(qū)域網(wǎng)格粗化，粗、細(xì)網(wǎng)格區(qū)域之間采用CONTA174及TARGE170單元進(jìn)行連接，以提高計(jì)算效率；采用CONTA174及TARGE170單元在模型底部（塔筒底法蘭底面）、模型上部（對應(yīng)帶門洞塔筒段的上法蘭頂面）之間建立加載點(diǎn)（加載點(diǎn)位于模型底部中心），用于施加所受載荷；采用ANSYS軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分、加載求解、數(shù)據(jù)提取等，便于快速實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案、不同方式等的建模與計(jì)算分析；門框附近筒壁上與門框弧線垂直方向的單元大小不超過1.0t，適合將參考點(diǎn)1、參考點(diǎn)2分別選擇在0.4t、1.0t等。

分析用各計(jì)算方法如表1所示。表中方法1為當(dāng)前行業(yè)廣泛使用、模型帶焊縫細(xì)節(jié)的熱點(diǎn)應(yīng)力法，建模與計(jì)算復(fù)雜度較高；其余建模與計(jì)算方法則不帶焊縫細(xì)節(jié)，利于模型建立與計(jì)算分析，其中方法4為消除焊趾影響采用的近似方法。

模型的約束、載荷等施加參照圖4進(jìn)行：在模型底部施加全約束；在加載點(diǎn)上施加沿坐標(biāo)系方向的塔底載荷Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz等。

1.3" " 應(yīng)力集中系數(shù)分析

2" " 一般性分析

上述計(jì)算分析中，門洞筒壁的焊腳寬度為Wl=20 mm。為了驗(yàn)證方法3替代方法1的可行性，針對更大范圍的焊腳寬度情況進(jìn)行了計(jì)算分析與對比。

鋼塔筒門框式門洞處的筒壁與門框間焊縫坡口形式如圖6所示，坡口角度β、間隙b、鈍邊c的要求范圍為：30°≤β≤50°，0 mm≤b≤4 mm，4 mm≤c≤10 mm[11]。

隨機(jī)型、風(fēng)資源、塔架高度的不同，風(fēng)電機(jī)組鋼塔筒門框式門洞筒壁的典型厚度為20 mm≤t≤70 mm。

因此，鋼塔筒門框式門洞處門框-筒壁間焊腳寬度Wl如表3所示。

針對典型筒壁厚度t、焊腳寬度Wl的門洞筒壁，采用方法1、方法3計(jì)算的應(yīng)力集中系數(shù)如表4所示。表中所用結(jié)構(gòu)參數(shù)如塔筒外直徑、門洞尺寸、門框尺寸等，與1.1節(jié)描述相同；另外，計(jì)算施加的載荷My、約束方式等，也與前文描述相同。

從表4可以看出，采用方法3計(jì)算的應(yīng)力集中系數(shù)與方法1計(jì)算的應(yīng)力集中系數(shù)非常接近。兩種方法的應(yīng)力集中系數(shù)大部分偏差在3%內(nèi)，極個(gè)別的偏差在5%內(nèi)；另外，實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目的焊腳寬度Wl約20 mm，結(jié)合表4的計(jì)算結(jié)果可知，實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目采用方法1、方法3計(jì)算的應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)更加符合要求。

3" " 應(yīng)用案例

本文選擇一些實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目的門框式門洞設(shè)計(jì)方案（含筒壁外直徑、筒壁厚度、門框尺寸、門洞尺寸、塔架極限載荷等），分別采用方法1、方法3進(jìn)行了極限應(yīng)力計(jì)算，相關(guān)結(jié)果如表5所示。表中的設(shè)計(jì)參數(shù)，只列出了塔筒壁厚、門框尺寸等，略去了塔筒直徑、門框尺寸。

4" " 結(jié)論

鋼塔筒門框式門洞的筒壁應(yīng)力計(jì)算模型可不含焊縫細(xì)節(jié)，用距離焊根0.4t、1.0t等參考點(diǎn)的應(yīng)力，插值到焊根位置得到應(yīng)力集中系數(shù)、極限應(yīng)力；另外，該方法也適用于基于應(yīng)力法的疲勞壽命、疲勞損傷等計(jì)算與評估。該方法不含焊縫細(xì)節(jié)，建模與計(jì)算以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等都相對便捷、高效。

門框式門洞處筒壁的應(yīng)力過大，會(huì)降低門框式門洞處筒壁的極限承載能力、抗疲勞能力，高效地實(shí)現(xiàn)門框式門洞筒壁應(yīng)力的合理計(jì)算與評估，有助于結(jié)構(gòu)方案的合理化、輕量化、降成本等設(shè)計(jì)。

門框式門洞作為鋼塔筒的關(guān)鍵部位，為提高該部位的極限承載能力、抗疲勞承載能力，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)等，當(dāng)前行業(yè)里對門框式門洞的筒壁采取了局部加厚、基于全扇區(qū)風(fēng)玫瑰載荷評估等多種方式。但本文描述的計(jì)算方法，仍然可在這些設(shè)計(jì)與評估方法中進(jìn)行應(yīng)用。

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收稿日期：2023-03-29

作者簡介：馬武福（1970—），男，四川資陽人，高級工程師，研究方向：風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析。

通信作者：萬雄斌（1994—），男，甘肅莊浪人，助理工程師，研究方向：風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析。