风力机塔架模态分析及应用

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1、第24卷第6期电力学报V01．24NO．62009年12月JOURNALOFELECTRICP0WERDec．2009文章编号：1005—6548(2009)06—0463—04风力机塔架模态分析及应用王朝胜，黄东胜，邹富顺，黄方林。(1．长沙理工大学汽车与机械工程学院，长沙410114；2．中南大学土木建筑学院，长沙410075)摘要：以某大型风力机塔架为例，对塔架进行了动力特性计算，利用ANSYS有限元软件完成建模和模态分析，分析中考虑了塔顶上方机舱总质量、塔底基础质量及塔架基础约束刚度的影响。计算结果表明

2、塔架与叶t4-不会发生共振，为塔架安全运营和进一步研究风力机塔架的结构动力学分析提供了依据。关键词：塔架；风力机；固有频率；模态分析中图分类号：TK83文献标识码：A随着我国风力发电机的广泛使用，风力发电机1．1塔架的有限元模型朝着大型化方向发展。为了更好地发展我国的风力塔架为圆筒型，塔高48．78m，塔底与塔顶直径发电机行业，机组塔架的设计问题日益突出。塔架分别为3．25m和2．16m塔底设有舱门。塔架共的主要功能是支承风力发电机的机械部件、发电系三段，各段间用法兰与螺栓连接。塔架几何模型如统，承受风轮的作用

3、力和风作用在塔架上的力(弯图1，对几何模型划分时，采用sOLID95单元，由于矩、推力及对塔架的扭力)，塔架还必须具有足够的sOLID95单元能够容许不规则形状，并且不会降低疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和精确性，同时，其偏移形状的兼容性好，S0LID95有停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等口]。20个节点定义，每个节点有3个自由度，(x，Y，z水平轴风力机塔架由于顶端都安装有较大质量方向)，此单元在空间的方位任意，本单元具有塑性、的机舱和旋转的风轮，塔架受到它们的载荷和叶片蠕变、辐射膨胀、应

4、力刚度、大变形以及大应变的能旋转产生的动载荷，此外，在自然风的作用下，风速、力，并且提供不同的输出项，故采用此单元能很好模风向和风压会对塔架产生动载荷。由于它们的共同拟塔架的真实情况，划分完可得到有限元模型如作用，这些载荷会引起塔架的变形和振动，这种振动图2。不但引起塔架的附加应力，影响结构强度，而且还会影响塔架顶端叶轮的变形和振动]。同时，塔架的振动有可能与叶轮旋转产生共振，从而影响风力机组性能。模态分析用于分析结构动力固有特性，即确定结构的固有频率和固有振型。对于塔架动力特性计算有意义的振动模态有三种，即侧

5、向弯曲振动模态、前后弯曲振动模态和扭转振动模态[3]。因此在设计塔架时需要对其进行模态分析，以了解它的动态特性，从而可以判断塔架固有频率是否会与叶轮旋转图1塔架几何模型图2塔架有限元模型频率重合，或者是否避开了叶轮旋转激励频率一定1．2风力机组各项参数的范围I4]。水平轴风力机在运行时它的运动情况如图4。坐标系原点位于塔架底部圆心，塔架中心线为1塔架模型及计算参数y轴，XYZ坐标系遵循右手准则。收稿日期：2009—10—10作者简介：王朝胜(1984一)，男，湖南娄底人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论

6、，(E-mail)wcs717@qq_com464电力学报第24卷元节点，质量点的位置在基础混凝土的重心位置，质量点质量的大小与基础混凝土质量相同。对质量点三个方向X、y、Z的转动惯量进行设置，转动惯量的大小与基础转动惯量相同。然后将质量单元节点与塔架底部单元节点通过无质量刚性梁相连接，使其保持相同的自由度。通过定义这样一个基础质量模型，在计算时可以很好地考虑基础质量及转动惯图3塔底局部放大图量对塔架模态的影响；(6)基础刚度模拟：基础约束刚度的大小对塔架模态值会产生较大的影响，为了更好地模拟土壤对基础的约束，

7、在基础质量点上连接两个扭转弹簧，通过对弹簧刚度进行设置，可以很好地模拟基础刚度(见图6)。图4风力机塔架的运动情况嘲塔架材料取Q345，其性能指标见表1。表1塔架材料的物理性能材料弹性模量／GPa密度／(kg·m)?自松比Q3452O678500O．3图5塔顶质量模拟图2塔架模态计算方案在对塔筒进行模态的有限元分析时，不仅要对塔架进行一些简化处理，还要考虑塔顶上方机舱总质量及转动惯量、考虑基础刚度等对模态分析的影响。(1)不考虑法兰上的螺栓、塔架内部的附属结构≮等构件；图6基础刚度模拟图(2)在变厚度的塔壁处，

8、仅将焊接后的形状模拟3计算结果出来，使塔架壁呈现渐变，不考虑焊接的诸如焊缝缺陷、残余应力；根据上述方法，利用ANSYS有限元软件对塔(3)整体模型中建立法兰，但不考虑两法兰之间架进行模态分析，求得了塔架前7阶的固有频率及的接触影响，将两法兰进行粘结，使之成为一体；振型，见表2。(4)塔顶质量模拟：在塔架顶端创建一个质量单表2塔架的固有频率元节点，质量点的位置在机舱、轮毂和叶片的合重心阶