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2 0 0 0 年 3 月农业机械学报第 31 卷第 2 期
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有限元软件在风力机塔架结构分析中的应用
陆萍
【摘要】结合风力发电机结构特点, 应用 AD INA 有限元通用软件, 在研制风力机塔架结构特性分析软件包的
过程中, 对模型建立、施加载荷、结果分析等进行了探讨, 并给出验证实例。
叙词: 风力发电机有限元振型曲线
中图分类号: O 242 21; TM 315 文献标识码: A
锥筒结构, 采用壳单元更为合理, 对这两种情况的计
前言
算结果也证实了这一点, 因此采用四节点壳单元划
随着我国风电事业的发展, 有限元理论和方法分锥筒网格。
已开始应用于风力机结构设计中。在国家“八五”新风力机在实际工作中, 塔架顶部底仓的回转下
能源科技攻关项目“风力机气动设计软件包结构动支座刚度大, 变形小, 因此与之相接的塔架变形也较
力学特性分析子包”的研制中, 我们以工作站上的小。考虑到所建模型应与实际尽可能接近, 我们在塔
AD INA 大型有限元通用软件为基础, 在微机上开架有限元模型顶部加了附加三角形板单元。这样建
发出适用于风力机塔架结构特性分析的通用软件, 立的塔架模型在进行有限元分析时, 其计算结果与
设计人员在人机交互方式下输入塔架基本参数, 计实际能达到最大的吻合, 否则, 塔顶变形与实测值相
算机自动完成网格生成、载荷施加、有限元计算及结差甚远。
果数据与图形输出, 从而为有限元法在风力机塔架
结构设计中的应用提供了适用的工具。
有限元分析的全过程包括前处理、有限元计算
及后处理三大部分, 对设计人员而言, 最困难的是前
处理部分, 它包括有限元模型的建立, 原始数据的输
入, 单元网格的划分, 载荷及约束条件的施加等。
1 建立模型
应用有限元进行结构的线性和非线性分析时,
力学模型建立的合理与否非常重要, 风力机塔架一
般有空间系杆钢结构和锥筒形结构两种形式。图 1
为风力机结构简图。对空间系杆钢结构塔架, 分别按图 1 风力机结构简图
桁架单元、梁单元、梁桁架组合结构 3 种力学模型 1 底仓 2 风轮 3 斜腹杆 4 立柱
进行了计算。结果发现桁架结构的总体刚度矩阵的
2 载荷问题
阶数比梁单元结构要低得多, 这可使计算速度加快,
且占内存少, 但计算精度不及梁单元结构。由于实际风力机塔架所承受的载荷除塔架自重外, 主要
结构中在斜腹杆交叉处及斜腹杆与立柱联接处, 均有发电机组的重力, 来自风轮的载荷和风荷载。通过
使构件并非只受轴向力作用, 故采用梁单元结构更风轮作用于塔架的载荷(包括气动推力、偏转力、陀
接近实际状态。为提高求解精度, 我们将整个塔架全螺力矩等) , 转换到塔架坐标系中, 可分解为沿 x、y、
部采用梁单元来划分网格。对锥筒形塔架, 可采用板 z 坐标轴的 3 个分力和 3 个力矩。计算时按最大设
单元或壳单元。但从理论上讲, 板单元的变形为弯曲计工况、最大气动工况和制动工况分别输入, 自编建
变形, 而壳单元除弯曲变形外还有中面的变形, 且壳模程序可由这些载荷连同发电机组的重力一起计算
体的弯曲内力和中面内力相互联系、相互影响。分析出作用于塔架顶部节点上的固端力,