基于Abaqus 的风力发电机组塔架门段的极限强度分析.docx

基于Abaqus的风力发电机组塔架门段的极限强度分析

邢春雷,赵迪,严素欣，李云龙

中国航天万源国际（集团）有限公司

摘要:由于塔架底部开有门洞，工程计算方法对于塔架门段的极限强度分析则不再适用，在

Abaqus平台上运用有限元方法对门段塔筒进行极限强度分析，弥补了工程计算的误差，能

够真实的反映出门洞对塔筒承载力的影响。

关键词:风力发电机组，有限单元法，塔架，Abaqus

1.前言

风力发电机组,将风能转化为电能。塔筒在风力发电机组中支撑着机舱、发电机和风轮系统，使其在设计高度运行，以获得足够的风能来保证发电机满功率运转。随着高风速地区开发利用的饱和，越来越趋向低风速区域风能的开发利用，风力发电机组的塔筒有七八十米提高到120米、140米以及160米等，呈现越来越高的趋势来捕捉低风速区域高空处的风速来满足发电机组满功率发电的需求。

塔筒这种高耸结构，除了承受机组自身重量外，还要保障风电机组在所有设计工况下

安全可靠的运行，故需要分析计算塔筒的静动态特性，确保其有足够的强度、刚度和寿

命。设计阶段有效的仿真分析既可以避免激进设计造成的刚强度不足，又可以避免保守设计而带来的资源浪费。CAE工程师根据测风载荷对初始塔筒模型进行仿真分析，CAD工程

师根据分析结果修改模型后再反馈CAE工程师重新进行仿真分析，直到校核结果全部通

过。由于塔筒结构和载荷的互相影响，要根据修改后的塔筒结构更新计算载荷，CAE工程

师用更新的载荷再对塔筒进行仿真分析，如果校核结果全部通过则塔筒定型且不需要更新计算载荷，否则继续进行塔筒修改、载荷更新和塔筒校核的循环直到仿真分析结果全部通过。塔架底部设置有出入塔架的门洞，在Abaqus平台上运用有限元方法对门段塔筒进行极限强度分析，弥补了工程计算的误差，能够真实的反映出门洞对塔筒承载力的影响。

2.模型设置

在建立有限元模型的时，为了保证圣维南原理的适用，要求加载位置至少距离门段顶端

2倍塔底直径。同时为了保证计算的精确，对门段附近网格要加密，并且尽量采用六面体单元进行划分。

2.1坐标系及单位体系

本文中使用GL规范中规定的塔底坐标系，如图2-1所示，具体说明如下：

2017SIMULIA中国区用户大会1

图2-1.塔筒坐标系

其中：XF沿水平方向；ZF沿塔筒轴线竖直向上；YF沿水平方向，与XF和ZF形成右手

坐标系；原点塔架轴线和塔架基础上边缘面的交点。

塔筒分析所采用的单位制以mm长度单位为基础，其详细的各单位如表2-1。

表2-1.计算单位

长度/位移质量密度弹性模量泊松比力力矩/扭矩应力

mmtt/mm3MPa-NNmmMPa

2.2边界约束及加载

塔筒门段有限元模型如图2-2所示。

图2-2.分析模型及局部网格

22017SIMULIA中国区用户大会

在对塔筒门段进行极限强度分析时，需要考虑塔筒壁截面上所有的载荷分量。根据塔架

门框受力特点，一般在门框侧承受弯曲压应力时等效应力达到最大，同时考虑到存在偏航

情况，为了保证计算结果充分保守，因此计算通过组合Mxy最大和Fxy最大工况，并使门

框侧受压。

具体载荷施加如图2-3所示。加载方式可以采用KINEMATICCOUPLING进行加载，

将6个分量的载荷加载到塔筒顶部，各工况载荷见表2-2。

图2-3.门段分析施加载荷位置

在对塔筒门段进行极限强度分析中，对塔筒底部假体施加位全位移约束条件。塔筒门段

分析中位移边界条件如图2-4所示。

图2-4.门段分析施加边界条件

2017SIMULIA中国区用户大会3

表2-1.载荷工况表

MxMyMxyMzFxFyFxyFz

LoadcasekNmkNmkNmkNmkNkNkNkN

MxMaxdlc6.1c14417233965.2419112720.2128.7-579.7593.8-4181.8

MxMindlc6.1a13-40426-1323.340448-1592.938.4570.4571.7-4144.2

MyMaxdlc4.2dca2407.360625606731803.5871.51.73871.5-4411.9

MyMindlc1.5fda1-2779.1-8238982436-2875.9-1027.8-14.91028.0-4276.0MxyMaxdlc1.5fda1-2779.1-8238982436-2875.9-1027.8-14.91028.0-4276.0

MxyMin