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風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為電能的動力機械，利用的是自然能源。風力發(fā)電廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)村供電、野外住宅或企業(yè)、街道照明、電信基站、監(jiān)控站、離崖平臺供電等。風力發(fā)電機組的研究，涉及到空氣動力學、計算機自動控制、土木工程，以及機械設(shè)計、制造等多個學科領(lǐng)域。塔架是風力發(fā)電機組的重要構(gòu)件，除塔筒外還有平臺、爬梯、門洞、法蘭等附屬設(shè)備。為了便于對塔架進行有限元分析，需要將塔架結(jié)構(gòu)進行適當?shù)暮喕�，忽略其附屬設(shè)備的影響，在保證滿足工程精度的前提下減少計算量。
本文首先運用有限元軟件ANSYS對塔架建立有限元模型，并在三種工況下對塔架模型的受力進行非線性靜強度分析，得到了影響塔架結(jié)構(gòu)計算的重要因素。
風力發(fā)電機組塔架的實際結(jié)構(gòu)形式多為錐筒式鋼塔架，塔架高為67.8 m，頂部外徑為26m，底部外徑為3.8 m，鋼筒厚度為22 mm�？紤]模型的非線性，有限元模型采用三維實體模型。為了簡化計算，可將塔架視為懸臂梁，如圖所示。圖中外部荷載施加在塔架頂部，距離基礎(chǔ)的高度為H。塔架材料為Q235鋼，其材料的彈性模量E為206x e3MPa，泊松比為0.3，材料密度P為7.85xe3kg/m3。塔架坐標系建立在塔架與機艙連接面處，用來描述塔架所承受的作用力。塔架主要承受空氣的氣動推力，葉輪質(zhì)量不平衡而引起的偏轉(zhuǎn)力，垂直力和轉(zhuǎn)矩、風速分布不均勻而引起的俯仰力矩、重力引起的彎矩。塔架的受力分析見圖。
靜強度分析時將荷載簡化為靜載，施加在塔架頂部中心，如圖所示。由于塔架模型頂部平面中心沒有節(jié)點，施加的荷載無法傳遞到錐形筒，需建立等效的荷載傳遞方式。塔架頂部中心荷載見表。由于風力發(fā)電機塔架與基礎(chǔ)固連，在進行靜強度分析時，可以對塔底施加全約束，即約束塔底所有節(jié)點的全部自由度。塔架采用shell181單元進行非線性有限元模擬，圖為塔架網(wǎng)格劃分后的模型，鋼材的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線按理想彈塑性模型選取。為了將荷載等效地施加到塔頂中心，本文的具體做法是：使用MPC184單元，在構(gòu)件中心部位建立一個節(jié)點，與其他受力節(jié)點分別形成多根剛性梁連接，從而形成剛性面。最后直接將荷載加到中心節(jié)點上，通過剛性梁來傳遞荷載，詳見圖。ANSYS非線性有限元分析結(jié)果顯示，在工況1、工況2、工況3作用下，塔架最大應(yīng)力都發(fā)生在塔底處，分別為23.313 MPa，33.608 MPa，15.703 MPa，沿高度方向各水平截面最大應(yīng)力由下至上逐漸減小。塔架在各種工況下的等效應(yīng)力云圖見圖。鋼塔架在各種工況下的位移見表。塔架在三種工況下，沿高度方向位移隨著高度的增加而增大，最大位移發(fā)生在塔架頂部，在工況1、工況2、工況3的荷載作用下，塔架最大位移分別為61.183 mm、81.538 mm、35.255 mm。
(1)分析計算結(jié)果表明，在三種工況下塔架的危險截面均為塔筒底部，因此在進行風力發(fā)電機塔架設(shè)計時，應(yīng)以塔筒底部最大應(yīng)力作為塔架強度計算的依據(jù)。(2)計算結(jié)果表明，在各種工況下，塔架最大位移均出現(xiàn)在塔筒頂端，因此應(yīng)將塔筒頂端的位移作為塔架剛度計算的依據(jù)。(3)在三種工況中，切出風速工況對塔架的應(yīng)力與位移的影響最大，因此設(shè)計時要重點考慮切出風速工況下的荷載對塔筒結(jié)構(gòu)的影響。(4)工況2的水平荷載Fx較工況1和工況3要大得多，因此，作用在塔架頂部，與塔筒軸線垂直，水平方向的風荷載Fx是影響錐筒鋼塔架強度的主要因素。
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