梯形擾流筋對風電塔筒疲勞特性的影響

宋麗娟，白琨，王子琦

（1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.葫蘆島市公安局 網絡安全保衛(wèi)支隊，遼寧 葫蘆島 125000；3.葫蘆島市建筑工程服務中心，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

風電塔筒作為整個風力發(fā)電機的主要承載部件，大多數(shù)情況下會承受復雜交變的外載荷，因此塔筒的疲勞強度是風電領域內重要的研究問題之一。由于作用在風電塔筒表面的風載荷基本上屬于隨機載荷，因此會在塔筒上產生典型的隨機變幅應力并導致塔筒可能出現(xiàn)疲勞失效。針對這類典型的隨機變幅應力疲勞問題，國內外諸多學者基于各種解析模型或仿真模型進行了大量的理論研究[1-3]，但直接以風電塔筒疲勞問題為研究對象的相關結論和優(yōu)化方法還相對較少。張?zhí)熨R等[4]提出一種通過在塔筒外表面增設梯形擾流筋的方式來削弱塔筒的渦激振動并提升塔筒靜強度的方法，并通過小型風洞試驗驗證了其方法的合理性。其研究結果表明，在塔筒外表面增設梯形擾流筋能夠有效削弱塔筒的渦激振動并提升塔筒結構的靜強度，而渦激能量被削弱的程度與擾流筋的筋型尺寸參數(shù)有關，但并未分析增設擾流筋對塔筒疲勞強度的影響。因此，本文在上述研究成果的基礎上，基于流固耦合、疲勞分析等多種仿真方法進一步研究擾流筋的筋型參數(shù)對塔筒疲勞強度的影響規(guī)律，歸納總結出擾流筋的最佳尺寸參數(shù)。

1 互聯(lián)系統(tǒng)線性變參數(shù)模型

風電塔筒是由平板彎制焊接而成的，因此可通過對比普通平面板材和在表面增設梯形加強筋的板材（加筋板材）的疲勞強度來研究加強筋對板材強度的影響，確定能夠實現(xiàn)結構強度最優(yōu)化的筋型參數(shù)。考慮到模型簡化的需要，本文取高為10 m、直徑為4 m、壁厚為40 mm的一段塔筒為例進行分析。將圓柱形塔筒模型展開后得到的板材尺寸為：長為12 m，寬為10 m，板厚為40 mm。在板材單側平面上增設梯形加強筋即可得到加筋板材的幾何模型。板材為Q345E合金鋼，密度為7850 kg/m3，泊松比為0.28，彈性模量為206 GPa，板材總質量為37 680 kg。為了確保在板材等質量的前提條件下研究最優(yōu)筋型參數(shù)，因此在研究筋形對板材疲勞強度的影響規(guī)律時，通過同時將4組筋型參數(shù)（基板厚T和筋高H，筋寬W和筋間距L，筋高H和筋寬W，筋角θ）設為變量來保證板材等質量條件。加筋板材各筋型尺寸參數(shù)的定義如圖1所示。

圖1 各筋形尺寸參數(shù)定義

本文應用Hypermesh軟件對板材模型進行劃分網格等前處理工作，為了更加準確地考慮到板材的剛度及得到精確的疲勞應力結果，因此在前處理階段采用一階六面體網格（單元類型為Solid185），并對加強筋筋角周邊的網格進行進一步的細化，再應用Workbench基于板材模型進行疲勞分析。在定義模型邊界條件時，參考風機塔筒的實際受力情況及約束方式，將板材模型的側邊定義為全約束，并在板材單側平面上施加等效的當量理論疲勞荷載，經過計算后，得到不同筋型參數(shù)對加筋板材疲勞安全系數(shù)的影響規(guī)律，如圖2所示。

圖2 不同筋型參數(shù)對加筋板材疲勞安全系數(shù)的影響

圖2中虛線表示普通板材在相同約束和載荷條件下的疲勞安全系數(shù)為2.075，實線表示加筋板材的疲勞安全系數(shù)隨不同的參數(shù)變量變化的規(guī)律，這表示通過改變筋型參數(shù)確實能夠影響到板材的疲勞安全系數(shù)，因此通過綜合考慮各筋型尺寸參數(shù)對板材疲勞安全系數(shù)的影響來確定具有最優(yōu)化疲勞強度的筋型參數(shù)是可行的。由圖2（a）可知，加筋板材在不同的基板厚度T和筋高H下的疲勞安全系數(shù)最大值為3.317 9，最小值為1.961 1，兩者相差1.356 8，約為40.89%。這表明在板材等質量的前提下，同時改變基板厚和筋高的大小可以有效地減小加筋板材的最大等效應力和增大加筋板材的疲勞安全系數(shù)，且基板越薄，筋高越大，加筋板材的疲勞強度就越高，但是應該在板材的靜強度所允許的范圍內有限地減小基板厚度；由圖2（b）可知，當筋寬W和筋間距L（筋數(shù)為N）在一定范圍內變化時，加筋板材的疲勞安全系數(shù)變化范圍為2.021 9～2.132 1之間，最大值與最小值相差幅度為5.17%；由圖2（c）可知，當筋角θ在一定范圍內變化時，板材疲勞安全系數(shù)的變化范圍在2.035 7～2.132 1之間，最大值與最小值相差幅度為4.52%，這表明筋數(shù)、筋寬和筋角對加筋板材的疲勞強度變化影響較小，而板材的疲勞強度主要與筋高和板材厚度有關。綜合考慮各筋型參數(shù)對板材疲勞強度的影響，并確保加筋板材的疲勞強度優(yōu)于普通板材，最后確定梯形擾流筋最優(yōu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 擾流筋最優(yōu)尺寸參數(shù)

2 脈動風荷載作用下的外加梯形擾流筋疲勞強度仿真分析

2.1 基于Davenport譜的脈動風荷載模擬

本文引用常樂等[5]和張廣隸等[6]采用的模擬風速時程的方法，選用Davenport譜作為風電塔筒風速時程模擬的功率譜。本文中取高度為10 m處的風速平均值20 m/s，應用基于自回歸模型的線性濾波方法，在Matlab環(huán)境下編寫模擬風電塔筒風速時程的程序，設置采樣時間為0.1 s，總模擬時間為200 s，通過仿真計算得到各節(jié)塔筒的集中質量點（即圖3中所示的各節(jié)點處，其中138.5 m處為機艙的集中質量點）所在高度的風速時程模擬結果。

圖3 各節(jié)塔筒集中質量點（風荷載作用點）

根據伯努利方程式（1），將模擬得到的塔筒迎風面的不同風速時程換算為規(guī)定區(qū)域內的風壓時程，計算公式為：

式中：wp為風壓；ρ為空氣密度；v為風速；g為重力加速度，取9.8 m/s2；F為風荷載；μs為風荷載體型系數(shù)；A為塔筒迎風面上垂直于風向的投影面積。

根據式（2）基于風壓時程計算各節(jié)塔筒加載點處的風荷載時程曲線，如圖4所示。

圖4 各加載點風荷載模擬結果

2.2 基于Workbench的加筋塔筒疲勞強度分析

將圖4中的風荷載時程模擬結果以集中荷載的形式施加到普通塔筒模型和加筋塔筒模型的各節(jié)加載點上，并分析塔筒在風荷載作用下的疲勞強度，得到普通塔筒和加筋塔筒在風荷載下的結構應力云圖及疲勞安全系數(shù)云圖，如圖5和圖6所示。

圖5 普通塔筒和加筋塔筒的結構應力云圖

圖5中的結構應力云圖表明，在塔筒表面增設加強筋后，塔筒的最大結構應力由原來的24.971 MPa增大到28.365 MPa，增幅為13.59%；圖6中的疲勞安全系數(shù)云圖表明，加筋后塔筒的疲勞安全系數(shù)從3.452降低到了3.308 9，降幅為11.97%；由此結果可知，在塔筒表面增設梯形擾流筋雖然能夠有效削弱渦激振動的能量并降低渦激頻率，但是對塔筒的疲勞強度和壽命有一定的削弱作用，因此在應用梯形擾流筋控制渦激振動時，必須考慮到擾流筋對塔筒結構疲勞強度的削弱作用，在確定筋型參數(shù)時需要同時滿足兩個條件，即加筋后既能夠有效抑制渦激振動，又要確保塔筒的疲勞強度被削弱后仍然能滿足設計壽命要求。

3 加筋塔筒疲勞壽命評估

風力發(fā)電機在迎風受載時，風輪系統(tǒng)和塔筒迎風面受風載荷和渦激載荷的共同作用將在塔樁位置處產生較大的彎矩，因此在塔樁和塔筒聯(lián)接的位置存在較大的應力集中（如圖5），因此該位置處為危險截面，容易發(fā)生塔樁斷裂或塔筒疲勞損傷等因強度不足而造成的破壞。為了能夠準確計算加筋塔筒的實際疲勞壽命，從仿真結果中提取位于危險截面上且應力最大節(jié)點處的應力時程曲線，再應用雨流計數(shù)法對應力時程進行統(tǒng)計處理，即可得出加筋塔筒的載荷譜，如圖7所示。

圖7 變幅載荷譜

雨流計數(shù)法分析結果表明，加筋塔筒在200 s內疲勞累積總損傷為9.73×10-8，結合Miner線性累積損傷理論和DNV規(guī)范提供的S-N曲線，即可對加筋塔筒進行疲勞壽命估算：γ=200÷[9.73×10-8×365×24×60×60]≈65.1794≈65 a。計算結果表明，加筋塔筒的疲勞壽命為65 a，大于風電塔筒的設計壽命20 a，所以塔筒的疲勞強度在增設梯形擾流筋后仍然滿足設計要求。

4 結論

本文首先基于有限元分析法，研究了4組筋型參數(shù)（基板厚T和筋高H，筋寬W和筋間距L，筋高H和筋寬W，筋角θ）對加筋板材疲勞安全系數(shù)的影響規(guī)律，并以盡可能提升板材的疲勞強度為目的確定了最優(yōu)筋型參數(shù)，并基于此板材模型建立了加筋塔筒模型；其次利用Davenport譜作為風電塔筒風速時程模擬的功率譜，在得到塔筒上各節(jié)點處的風載荷時程曲線之后，應用Workbench軟件分別計算了普通塔筒和具有最優(yōu)化筋型的加筋塔筒的最大等效應力及疲勞安全系數(shù)。通過對比分析計算結果可知，雖然加筋板材因采用最優(yōu)化筋型而明顯提升了疲勞強度，但將加筋板材彎制成加筋塔筒后，塔筒的疲勞壽命相比于普通塔筒有所下降，這表明，在塔筒外表面增設擾流筋雖然能夠有效抑制渦激振動，但會削弱塔筒的結構疲勞強度，因此需要在確定筋型參數(shù)時驗算塔筒加筋之后的實際疲勞壽命，以確保塔筒結構的可靠性。根據通過雨流計數(shù)法得到的加筋塔筒載荷譜和塔筒材料的S-N曲線，基于Miner線性累積損傷理論估算加筋塔筒的疲勞壽命，計算結果為65 a，說明塔筒在加筋后的疲勞強度雖然被削弱了一些，但仍然能夠滿足設計要求。