常规风荷载作用下风轮与开口相对方位对风电塔力学特性的影响研究

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常规风荷载作用下风轮与开口相对方位对风电塔力学特性的影响研究

作者：刘文建

来源：《科技传播》2014年第14期

摘要本文通过大型有限元建立风电塔结构的风轮与开口分别为0°、90°、180°三种情况的三维模型，研究其对风电塔力学特性的影响，得出风轮与开口的相对方位为0°和180°时，风电塔开口处现应力集中现象比方位为90°时明显，且在方位为180°时，结构的最大应变出现在开口处，且要大于0°和90°的最大应变值，且风轮与开口的相对方位为180°时，结构底部产生更大的弯矩和剪力，其将对风电塔上部结构的动力反应产生更大的影响。

关键词风轮；风电塔；力学特性

中图分类号TM315 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0074-02

0 引言

风电塔结构所处的环境非常复杂（一般为风力较大的山地或海中），经常会面临一些重大灾害，随着MW级风力发电机的出现，研究在外部风荷载作用下风电塔抵御灾变能力的大小具有重要意义。如何保证结构不发生整体破坏是学者们一直在研究的问题。Luong Van Binha

等对风电塔塔架的非高斯响应峰值因数进行分析。考虑基于峰值因数的动态效果，提出等效静风荷载评价公式，评估在复杂环境下被加载于风力发电机组上的设计风荷载的影响。Negm、Hani、Shigeo Yoshida对风电塔塔架进行优化设计。模型中对塔体进行分段设计有限变量，即塔架横断面积、回转半径及分布重量。该研究设计的五种优化策略在水平轴风电塔模拟中成功实现。林勇刚等人综合考虑风、海浪、海流对近海风力机的作用和影响，建立了机组塔架的负载模型，得到了海上风力机的荷载计算方法。刘海卿等考虑叶片与塔架耦合作用对风力发电塔架风振响应的影响，建立了相应的力学模型和运动方程，在ANSYS中对风电塔架脉动风荷载进行时程分析，得到两种不同风电塔架模型的风振响应时程曲线，为进一步研究实际风电塔架结构提供了可靠的理论依据。由于而塔架结构随着高度的增加，结构变得越来越柔，当塔架高度超过某一值时，风荷载将成为结构设计的控制性荷载，因此深入研究塔架结构的在风荷载作用下其力学特性的变化规律显得至关重要。基于此，本文建立了风电塔结构的三维实体模型，研究了不同开口方位对风电塔力学特性的影响。

1计算模型

本文利用大型有限元分析软件ansys对风电塔结构进行模拟，塔体高度、塔筒壁厚及门洞几何尺寸均根据施工图纸设定如图1（b）所示。模型单元选用shell63和solid45单元，密度为