塔筒安裝條件下法蘭盤受力變形分析研究

龔 歡，衛紅英，葉兆藝，王欣怡，李小鵬

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311100；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州311100；3.浙江大學港口海岸與近海工程研究所，浙江杭州310058；4. 錫林浩特市泰富風力發電有限公司，內蒙古錫林浩特026099)

0 引 言

隨著全球對可再生能源的需求不斷增加，風電作為一種具有潛力的清潔能源，其重要性逐漸凸顯出來[1]。相比于傳統的能源形式，如化石燃料，風電具有零排放、無污染等優勢。

法蘭盤是連接塔筒的關鍵組成部分，通常由高強度鋼材制成[2]。塔筒翻身吊裝施工過程中，法蘭盤及螺栓孔容易發生損傷變形，導致螺栓連接失效，嚴重影響塔筒的安全穩定性。目前已經有學者對塔筒法蘭盤進行了相關研究[3-7]，樊軻等[3]通過模型試驗以及有限元軟件對高強度鉚釘的疲勞特性進行研究，發現該高強鉚釘能有效提升抗疲勞性能。李勇芝等[4]采用ANSYS有限元軟件研究了不同法蘭防變形支撐結構對法蘭變形的影響規律，研究表明三字支撐結構防變形效果最好。張卜銅等[5]針對法蘭盤焊接后出現微小變形導致連接螺栓應力集中的問題，提出了一種熱矯正工藝。林定果等[6]采用EasyLaser平面度分析軟件，分析了下料誤差對塔筒法蘭平面度的影響，提出控制下料誤差的方法以解決法蘭平面度超標問題。胡良明等[7]通過ABAQUS對帶有法蘭螺栓的塔筒結構進行結構振動特性研究，得到一種快速檢測螺栓斷裂的理論方法。

近年來，風電機組的額定功率已經從2 MW逐步提升到10 MW以上[8-10]，高功率風力機組需要更高、更重的塔筒；對塔筒的吊裝也提出了更高的要求，工程中經常出現吊裝導致法蘭盤上的螺孔變形使得塔筒上下端連接不緊密等問題。但是目前對塔筒吊裝翻身時塔筒法蘭以及螺孔的受力變形特征研究較為匱乏。

本文以吊裝條件下的法蘭盤為研究對象，基于有限元軟件ABAQUS，建立塔筒及法蘭盤三維數值模型，分析塔筒翻身吊裝過程中法蘭盤螺孔變形特征，研究結果可為塔筒安全吊裝施工提供理論支持。

1 塔筒吊裝施工工藝

塔筒吊裝施工是風電工程建設重要的組成部分。施工工藝為主吊車起吊上法蘭，輔助吊車起吊下法蘭，對塔筒進行抬吊翻身。兩臺吊車協調工作，防止法蘭與地面接觸，直到輔吊端法蘭朝下，卸掉塔同底部輔吊端吊座組件。其中，主吊端法蘭面安裝4個吊耳，輔吊端法蘭面安裝2個吊耳，并用高強度螺栓緊固。此外，安裝專用吊帶、鋼絲繩和滑車組件等，如圖1所示。塔筒吊裝翻身時，結構組件受力分析如圖2所示。

圖1 法蘭盤吊耳安裝位置

圖2 塔筒翻身吊裝受力分析示意

2 塔筒及法蘭盤有限元模型

2.1 有限元模型參數設置

基于塔筒及法蘭盤的實際尺寸建立模型，其中，塔筒長28.1 m，直徑4.238 m，塔筒壁厚0.06 m。法蘭盤外徑4.678 m，厚0.22 m，寬0.2 m，法蘭盤上有96個螺孔，其中螺孔中心距法蘭盤外徑0.08 m，螺孔直徑0.06 m。塔筒及法蘭盤有限元模型見圖3。采用八結點線性六面體單元(C3D8R)對網格進行劃分。模型材料設為彈塑性材料，質量密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.3；塑性參數見圖4。

圖3 塔筒及法蘭盤有限元模型

圖4 模型塑性特征[11]

2.2 邊界條件及加載方式

考慮塔筒翻身過程中，主吊端向上偏轉，因此，將輔吊端的兩個吊點進行約束，對吊點B1設置3個方向的約束，對吊點B2設置水平和豎直方向的約束。對模型整體施加重力，主吊端的吊點采用表面荷載進行加載。邊界條件以及荷載施加方式，如圖3所示。

3 水平條件下法蘭盤受力特征分析

3.1 應力分析

圖5為塔筒水平狀態時法蘭盤的Mises應力云圖。從圖5可以看出，主吊端法蘭盤上應力集中主要發生在A1、A2、A3、A4等4個吊點以及法蘭盤上下端。輔吊端應力集中主要發生在B1、B2等2個吊點。從法蘭盤上端沿圓周分別繪制主吊端及輔吊端法蘭盤的應力曲線，繪制方向如圖5箭頭所示，所得應力曲線見圖6。

圖5 法蘭盤應力云圖

圖6 法蘭盤應力曲線

從圖6中可以看出，主吊端吊點A1與A2應力為30.0 MPa，吊點A3與A4的應力為26.8 MPa。主吊端法蘭盤的上端以及下端也出現了應力集中現象，上端應力為17.2 MPa，下端為14.5 MPa。吊點A1、A2處的應力約為吊點A3、A4處的1.12倍，主吊端法蘭盤上端應力約為下端應力的1.19倍；輔吊端吊點B1與B2的應力均為211.7 MPa，約為主吊端吊點A1的7倍。輔吊端法蘭盤的上下端應力集中現象不明顯，但整體應力遠大于主吊端，最危險點為輔吊端的兩個吊點。

3.2 應變分析

上述應力分析表明，輔吊端法蘭盤為危險端，且該端的吊點B1、B2為最危險點，因此，提取輔吊端法蘭盤以及吊點B2的應變云圖，見圖7。

圖7 輔吊端法蘭盤及螺孔應變云圖

從圖7中可以看出，輔吊端法蘭盤整體應變分布均勻，吊點B2處螺孔下半部分應變值最大值為0.007 4，螺孔上半部分應變最大值為-0.005 6，說明螺孔上半部分受壓，下半部分受拉，螺孔整體發生剪切變形。

圖8顯示B2處螺孔的等效塑性應變(PEEQ)，等效塑性應變區域集中在螺孔中心到法蘭盤中心的另一側，等效塑性應變PEEQ的峰值約為0.006 4，說明該處已經發生屈服。

圖8 螺孔等效塑性應變應變云圖

圖9為輔吊端法蘭盤位移云圖。從圖9中可以看出，輔吊端法蘭盤水平方向沿中間壓縮5.08 mm，豎直方向沿上下兩端拉伸4.76 mm。從中可以提取B2吊點處螺孔位移為0.55 mm。

圖9 輔吊端法蘭盤位移云圖

4 不同傾角條件下法蘭盤受力特征分析

4.1 應力分析

開展塔筒由水平翻身至豎直狀態的過程中法蘭盤受力特征分析。設置傾角為0°、30°、45°、60°、90°5組工況，研究不同翻身階段時法蘭盤及螺孔的受力變形特征。其中，在傾角為90°工況時，輔吊端吊耳拆除，僅有主吊受力，因此對邊界條件重新設置為主吊端吊點A2、A3、A4約束方向上的位移，吊點A1約束3個方向上的位移，模型整體受到豎直向下的重力。

圖10為不同工況法蘭盤的應力云圖，從圖10可以看出，主吊端法蘭盤最大應力在傾角為30°、45°、60°、90°時為31.2、29.5、26.3、200.3 MPa；輔吊端法蘭盤最大應力為208.2、204.7、202.3、0.3 MPa。在吊裝至垂直狀態，拆除輔吊端吊耳前，隨著傾角的增大，主吊端和輔吊端法蘭盤應力均減小，主吊端的最大應力遠小于輔吊端。但是當吊裝至90°時，吊耳拆除，此時輔吊端應力趨近于0，應力主要集中在主吊端4個吊點上。

圖10 不同工況法蘭盤應力云圖

4.2 應變分析

由圖11可知，在塔筒傾角90°之前，輔吊端應力最大，在90°時，主吊端應力最大。因此提取30°、45°、60°工況下的輔吊端法蘭盤及螺孔應變云圖以及90°工況時的主吊端法蘭盤及螺孔應變云圖，見圖11。

圖11 不同工況法蘭盤及螺孔應變云圖

從圖11可以看出，傾角為30°、45°、60°時輔吊端螺孔的塑性應變的值分別為0.004 2、0.002 4、0.001 5，在傾角為90°時，整體塑性應變為0，因此選取提取主吊端螺孔的彈性應變，值為0.001。在90°之前，隨著傾角的增大，輔吊端螺孔的塑性應變逐漸減小，均為上半部分受壓，下半部分受拉，說明在塔筒翻身階段，輔吊端螺孔始終發生剪切變形。在吊裝至90°時，主吊端螺孔邊緣應變為正值，說明螺孔周圍發生拉伸。提取輔吊端吊點B2處的螺孔位移變形，以及主吊端吊點A1處的螺孔位移變形，如表1所示。

表1 不同工況輔/主吊端螺孔變形

從表1可知，隨著傾角的增大，輔吊端螺孔的變形逐漸減小，在0°時最大為0.55 mm，當吊裝至豎直狀態時，主吊端螺孔變形達到整個吊裝翻身階段的最大值為0.15 mm，為輔吊端螺孔最大變形值的27%。上述分析表明，整個塔筒吊裝過程中，法蘭螺栓孔最大變形發生在塔筒水平起吊時。

5 法蘭螺孔變形預測公式

由于風電機組的功率及樣式不同[12-13]，所需的塔筒及法蘭盤的幾何尺寸各不相同，需要對不同塔筒及法蘭盤尺寸進行敏感性分析。得到塔筒壁厚T，法蘭盤厚度W以及塔筒長度L對法蘭盤螺孔最大變形的D的影響規律，通過非線性擬合方法[14]，建立螺孔最大變形與塔筒及法蘭盤幾何尺寸的預測公式，并驗證公式的準確性。

5.1 敏感性分析

從表1可知，當塔筒處于水平狀態時，輔吊端B2處螺孔變形最大，因此基于輔吊點B2處的螺孔變形開展塔筒及法蘭盤幾何尺寸敏感性分析。敏感性分析的參數取值范圍如下：法蘭盤厚度W取18、20、22、24 cm；塔筒長度L取26、28、30、32 m，塔筒壁厚T取6、8、10 cm，共計48組工況，部分敏感性分析結果如圖12所示。從圖12可以看出，法蘭盤螺孔的最大變形隨塔筒壁厚及塔筒長度增大而增大，隨法蘭盤厚度增大而減小。

圖12 螺孔最大變形的影響因素

5.2 螺孔變形預測公式

通過非線性擬合方法[14]，分析48組工況的分析結果，建立基于塔筒壁厚T、法蘭盤厚W、塔筒長度L等3個變量的法蘭盤螺孔最大變形D的預測公式，即建立函數關系D=f(T，W，L)，具體公式為

D=(-0.017 4WL+0.437L+0.41W-10.3)T+0.056 3WL-1.4L-1.3W+32.33

(1)

式(1)的可靠性分析結果如圖13所示。通過對比實際螺孔變形數據和公式(1)預測變形數據，結果顯示公式(1)計算所得的法蘭盤螺孔最大變形平均誤差僅為6.79%，可以為吊裝條件下法蘭盤螺孔最大變形預測提供有效的理論支持。

圖13 預測模型可靠性驗證

6 結 論

采用有限元數值模擬方法，開展塔筒吊裝翻身時法蘭盤受力特性研究，得到如下結論：

(1)塔筒吊裝翻身過程中，當塔筒處于水平狀態下法蘭盤所受應力變形最小。輔吊端吊點最大應力約為主吊端吊點的7倍；法蘭盤螺孔上半部分受壓，下半部分受拉，螺孔局部屈服，出現剪切變形。

(2)塔筒法蘭盤幾何參數盤敏感性分析顯示，法蘭盤螺孔的最大變形隨塔筒壁厚及塔筒長度增大而增大，隨法蘭盤厚度減小而增大。

(3)基于敏感性分析數據，提出了基于非線性擬合方法的法蘭盤螺孔最大變形預測公式，平均誤差僅為6.79%，可以為吊裝條件下法蘭盤螺孔最大變形預測提供有效的理論支持。