大型水平轴风力机塔筒焊缝强度分析

为实现某大型水平轴风力机塔筒截面焊缝强度设计,介绍了DIN18800-4应力计算的工程算法,针对2.0 MW直驱型风力机塔筒某一截面进行极限强度校核。根据疲劳载荷分类,提出等效疲劳损伤和时序疲劳损伤两种不同计算方法。推导了等效疲劳载荷、等效疲劳应力与等效疲劳损伤的计算公式。针对某一截面对等效疲劳损伤和时序疲劳损伤进行分析计算和结果对比,给出两者等价性条件与适用条件。结果表明,被校核的截面焊缝满足强度设计要求。提出的方法在大型水平轴风力机塔筒截面焊缝极限强度与疲劳强度分析上具有可行性和有效性。     

风力机塔筒门洞焊缝多轴疲劳寿命预测

提出一种基于临界平面法的塔筒门洞焊缝多轴疲劳寿命预测方法,在其满足极限强度的前提下,以临界面上的最大主应力为基础,结合多轴计数法和Miner线性累积损伤理论,应用FESAFE多轴疲劳算法对门洞焊缝进行疲劳寿命分析。结果表明:塔筒结构满足设计要求,塔筒门洞的最危险位置位于门洞内壁焊趾处,与实际情况相符;验证了该方法的可行性和有效性。     

大型水平轴风力机塔筒顶部焊缝强度研究

为实现某大型水平轴风力机塔筒顶部焊缝的抗极限与疲劳强度设计,建立塔筒顶部的有限元模型。模型充分考虑螺栓预紧力、轴承刚度、部件间接触等非线性因素,考察了极限工况下焊缝的结构强度。基于非线性有限元模型,施加不同幅值大小、方向的弯矩,采用线性插值方法获取焊缝的时序应力值。通过雨流计数计算得到焊缝的累积损伤,并确定最大累计损伤部位。考察不同壁厚下焊缝的极限与疲劳强度,并给出结构优化方案。结果证明了所提出方法的可行性和有效性。     

大型水平轴风力机塔筒涡激振动焊缝疲劳分析

为了实现大型水平轴风力机塔筒在涡激振动下的抗疲劳设计,提出综合GL 2010认证规范、德国标准等的校核方法。分析对比有限元法和GH Bladed软件下的塔筒动态固有特性结果。基于DIN 4133标准,分析得到涡激振动下的塔筒截面惯性力和附加弯矩。采用工程算法计算得到塔筒截面应力变程,推导涡激振动引起的疲劳损伤表达式。以某2.0 MW水平轴风力机塔筒为对象,计算不同方案下的疲劳损伤值,分析沿塔筒高度方向的损伤分布规律。为风力机塔筒涡激振动引发的疲劳损伤分析提供实用分析方法。     

基于Schmidt-Neuper算法塔筒螺栓疲劳强度研究

为实现某大型水平轴风力机塔筒法兰螺栓的抗疲劳设计,提出基于Schmidt-Neuper模型的疲劳强度校核方法。由单扇面法兰系统刚度分配比例,建立螺栓内力与外界拉力的非线性关系。通过载荷线性插值得到螺栓时序应力,由雨流计数和累积损伤计算得到整圈螺栓疲劳累积损伤分布,并进一步找到最大累计损伤位置。在此基础上,计算并分析螺栓预紧力、螺栓数量与法兰厚度对最大累计损伤的影响。结果表明,所提出的方法和流程在塔筒螺栓疲劳强度分析与校核上具有可行性和有效性。     

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。     

大型风电机组塔筒门洞的参数化优化设计

风电机组塔筒结构的薄弱处是门洞,门洞设计的好坏将直接影响到塔筒整体的可靠性。借助CAE工具ANSYS Workbench对大型风电机组塔筒门洞进行参数化建模,并将决定门洞形状的3个参数（椭圆长轴RMX16、短轴RMN18和直边H21）作为输入参数,von mises应力作为输出参数,设优化目标为应力最小,得到优化后门洞形状为椭圆形。实践证明,利用结构优化设计的理念,对塔筒门洞进行形状参数优化,可以求得最优塔筒门洞形状,用以提升塔筒的可靠性。与常规结构设计方法相比,采用优化设计方法,显著提高了设计效率、设计品质,而且节约了设计成本,可以在风电机组的产品设计中推广应用。     

风力发电机组塔筒门段结构优化设计

文章提出了两种新的塔筒门段结构形式,一种是将门洞进行整体钢板切割,焊好门框后,再整体与塔筒段筒体焊接;另一种也是将门洞进行整体钢板切割,但取消门框,同时加厚门洞所在塔筒壁厚。两种结构静强度分析均满足设计要求,且塔筒段减重明显,为塔筒门段结构设计提供了参考。     

超大功率风力发电机组塔筒屈曲分析

以某型8 MW风力发电机组塔筒为对象,采用有限元方法开展超大功率风力发电机组塔筒屈曲特性分析.建立塔筒门洞段有限元模型,研究门框对塔筒屈曲稳定性的影响,结果表明:门洞加框能提高塔筒屈曲稳定性.为进一步提高塔筒屈曲稳定性,提出塔筒内壁设置加强筋的强化设计方法,研究加筋数目、加筋尺寸与塔筒屈曲稳定性的作用规律,结果表明:环...     

水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。     

水平轴风力机塔筒近尾迹流场PIV实验研究

应用PIV粒子图像测速技术,在风洞中测量水平轴风力机模型塔筒的近尾迹流场。通过对模型风力机在不同运行尖速比下、不同叶高平面内的塔筒近尾迹速度场和涡量场的分析,得到了塔筒近尾迹流场的结构特征,为水平轴风力机气动设计、性能预测及CFD数值模拟提供了依据。实验结果表明,受到风轮旋转效应的影响,在水平轴风力机塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹在水平面内向一侧明显偏转,近尾迹流场相对塔筒中心轴面呈非对称分布。随着尖速比的减小,塔筒下游轴向距离6倍当地弦长范围内,近尾迹涡流宽度逐渐增大,且尾迹向一侧偏转的程度也越大。风力机叶片对塔筒近尾迹涡流的影响,在叶根部位高度平面内尤为显著,随着叶片高度的增加,叶片对塔筒近尾迹涡流的影响逐渐减弱。     

水平轴风力机轮毂强度和疲劳寿命分析方法研究

针对水平轴风力机轮毂复杂的几何外形、载荷与边界条件,研究其强度和疲劳寿命数值分析方法。应用结构分析软件ANSYS并结合疲劳分析软件FE-safe对风力机轮毂进行强度和多轴疲劳寿命分析。研究了风力机轮毂结构强度数值分析中的一些关键技术问题,如网格划分、载荷施加、边界约束条件的处理及分析技巧等;利用叶片根部极限载荷对轮毂进行强度校核,得出轮毂极限载荷下的应力分布。基于风力机叶片根部随机载荷谱和线性累积损伤方法,研究了轮毂多轴疲劳特性及疲劳寿命分析方法;研究了轮毂材料的S-N曲线定义和各工况下随机载荷谱的分析处理方法。算例表明:本文的工作为水平轴风力机轮毂强度、刚度及多轴疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法。     

水平轴风力机锥形塔筒的静动态特性研究

根据叶素动量理论,考虑三维紊流风场、Beddoes-Leishman动态失速模型、惯性载荷及重力载荷计算了风力机的整机载荷,进而得到塔架动态载荷的极限工况,针对塔架的结构特点,再应用有限元理论,对水平轴风力发电机组塔架的静态(强度)、动态(屈曲、模态)特性进行了研究。以一台1.5MW水平轴风力发电机组为例,计算了塔架在不同极限工况下的载荷,并对塔筒进行了强度、屈曲和模态分析,得到了具有较大工程实用价值的塔筒静动态分析方法。     

RESEARCH ON ANALYSIS APPROACH OF STRENGTH AND FATIGUE LIFE OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE HUB

针对水平轴风力机轮毂复杂的几何外形、载荷与边界条件,研究其强度和疲劳寿命数值分析方法.应用结构分析软件ANSYS并结合疲劳分析软件FE-safe对风力机轮毂进行强度和多轴疲劳寿命分析.研究了风力机轮毂结构强度数值分析中的一些关键技术问题,如网格划分、载荷施加、边界约束条件的处理及分析技巧等;利用叶片根部极限载荷对轮毂进行强度校核,得出轮毂极限载荷下的应力分布.基于风力机叶片根部随机载荷谱和线性累积损伤方法,研究了轮毂多轴疲劳特性及疲劳寿命分析方法;研究了轮毂材料的S-N曲线定义和各工况下随机载荷谱的分析处理方法.算例表明:本文的工作为水平轴风力机轮毂强度、刚度及多轴疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.     

MW级风电机组钢筋混凝土塔筒稳定性分析

通过理论计算与有限元分析方法,对钢筋混凝土塔筒进行屈曲与稳定性分析。计算结果表明,预应力下的钢筋混凝土最大静应力出现在门洞边缘位置,线性屈曲分析由于未考虑非线性因素的影响,得到的临界载荷偏大,而非线性屈曲分析得到的结果可作为对工程算法的修正。随着风力机功率的增加,塔筒高度也不断增加,深入研究钢筋混凝土塔筒的结构特性,为钢筋混凝土结构塔筒工程应用奠定基础。     

随机风场作用下海上风力机基础结构疲劳分析

运用FAST分别建立海上风力机半整体模型与整体耦合模型,计算得到脉动风速时程作用下塔筒顶部位置的风力机荷载。首先采用SACS建立包括塔筒和基础结构的海上风力机简化有限元模型,分别施加基于半整体和整体耦合模型得到的风力机荷载时程,开展支撑结构动力响应计算;再采用海上风力机规范建议的热点应力公式确定基础结构管节点的热点应力时程,采用P-M线性累积准则完成海上风力机基础结构疲劳分析。基于半整体模型与整体耦合模型的疲劳损伤对比得出,有必要采用整体耦合模型开展海上风力机基础结构疲劳校核。     

风波联合作用下5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接疲劳性能研究

提出一种矩形钢管混凝土束风力机塔筒结构，并对该塔筒结构双盖板穿芯螺栓连接节点进行高周疲劳试验和有限元分析，得到节点的疲劳破坏模式和疲劳寿命。结果表明：矩形钢管混凝土束风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接节点疲劳破坏模式为高强螺栓受剪破坏，破坏集中在钢板连接处。螺栓在钢砼连接面和螺帽处产生疲劳裂纹，在剪切疲劳作用下，穿芯螺栓断裂为3段。有限元分析表明，螺栓规格对试件疲劳性能影响较大，增加螺栓直径，能提高节点的疲劳寿命，但疲劳极限值会减小；盖板厚度对疲劳性能影响不明显。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

波浪对海上大型风力机筒形塔架的影响

文章利用梁单元对海上风力机筒形塔架进行有限元建模,并建立了塔架动力学运动方程。阐述了海上风力机塔架所受Kaimal湍流风模型和Pierson-Moskowitz波浪谱模型,并对风载荷、波浪载荷和海流载荷进行了详细分析。基于某6.0 MW海上大型风力机塔架的动力响应计算,分析了极限和疲劳工况下波浪对塔架顶端振动位移和塔底载荷的影响程度,为海上风力机筒形塔架设计提供了参考。