风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法

656 编辑：管理员来源：许昌许继风电科技有限公司

2024-05-21 09:10:35

权利要求书： 1.一种风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别对塔筒中的含塔门塔筒段与不含塔门塔筒段结构进行三维建模，所述含塔门塔筒段三维模型包括底法兰、塔门段、塔门段顶法兰和塔门，所述不含塔门塔筒段三维模型包括底法兰、塔门段和塔门段顶法兰；

2)利用有限元分析软件对所述的三维模型进行有限元建模，得到两个有限元模型；

3)对所述的两个有限元模型分别进行边界约束与极限工况加载，根据极限工况加载情况进行极限计算与线性屈曲计算，并根据计算结果确定两个有限元模型的第一阶屈曲特征值；

4)对所述的两个有限元模型的材料进行弹塑性参数设置、边界约束，根据各有限元模型的第一阶屈曲特征值确定各模型的二次加载载荷，按照各二次载荷分别对两个有限元模型进行加载，根据二次加载情况进行非线性屈曲计算，根据计算结果分别确定各有限元模型的载荷比与位移关系的曲线；

5)根据各有限元模型的载荷比与位移关系曲线，得到自身的临界载荷比，将两个有限元模型载荷比的比值作为塔门的屈曲折减系数。

2.根据权利要求1所述的风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，所述步骤

4)中二次加载载荷等于第一阶屈曲特征值与极限工况下的载荷的乘积，并以斜坡方式加载。

3.根据权利要求2所述的风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，在进行非线性屈曲计算时，先设置子步的数量，关闭自动时间步长，打开大变形开关，采用弧长法进行迭代计算。

4.根据权利要求3所述的风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，完成非线性屈曲计算后，根据时间步长开始下降点对应的节点位移结果，提取最大位移节点在整个时间步长的位移变化，结合计算时间步长绘制载荷比与位移关系的曲线。

5.根据权利要求1所述的风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，所述步骤

2)在有限元建模时，利用有限元分析软件对所述含塔门塔筒段和不含塔门塔筒段的结构进行网格划分，根据三维模型内各部件的连接关系将各部件共节点处理，在塔底法兰中心建立节点用于加载，将顶法兰顶面与塔底法兰采用刚性梁单元连接，用于传递载荷。

6.根据权利要求5所述的风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，所述含塔门塔筒段和不含塔门塔筒段的结构均采用二十节六面体高阶单元进行网格划分，所述塔筒厚度和塔门厚度方向均细分网络，所述含塔门塔筒段模型中的应力梯度高的塔门和塔门与筒壁连接区域均加密网格。

7.根据权利要求2所述的风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，所述进行弹塑性参数设置是在两个有限元模型的材料属性中分别设置屈服强度与切线模量，所述屈服强度根据两个有限元模型的材料厚度对应屈服取值，所述切线模量为设定值。

8.根据权利要求1所述的风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，其特征在于，所述步骤

3)在进行极限计算与线性屈曲计算时包括：对底法兰的底面进行自由约束；在底法兰中心节点施加弯矩最大的极限工况，计算该极限工况下的载荷；打开预应力开关，进行线性屈曲计算，得到各有限元模型的第一屈曲特征值。

说明书：一种风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法技术领域[0001] 本发明涉及一种风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，属于风力发电组技术领域。背景技术[0002] 塔筒作为风力发电机的主要支撑结构，其结构普遍采用钢制圆锥筒壳结构，该结构属于高度缺陷敏感型结构，且实际塔筒在制造过程中存在各种形式的缺陷，如门洞、焊缝及变厚度结构，使塔筒结构易发生屈曲失稳破坏，尤其是塔筒塔门段，最易出现局部失稳、折断等事故破坏。目前针对塔筒屈曲强度验算分为工程算法和有限元算法两类。工程算法一般依据德国劳氏船级社编写的GL规范，按照德国钢结构规范DIN18800或欧洲规范EN1993?1?6进行验算，有限元算法基于有限元软件进行线性屈曲或非线性屈曲计算。公布号为CN110909426A，申请公布日为2020.03.24的发明专利申请文件公开了一种风力发电机组塔筒门洞屈曲分析方法及系统，该方法采用有限元分析软件建立了一种包含塔筒底部法兰至塔筒塔门所在段顶法兰在内的有限元模型，对其进行静力学分析和特征值屈曲分析(即线性屈曲分析)，得到门洞的最大等效应力和一阶屈曲特征值，结合有限元线性屈曲的一阶屈曲特征值计算进行屈曲折减系数的修正。[0003] 该文件在建模与屈曲分析时采用的是壳单元建模与特征值屈曲计算，单层的壳单元无法准确的反映塔筒厚度方向应力变化，且特征值屈曲计算本质上是线性分析，仅考虑了整体刚度，但其条件为结构处于小变形状态，忽略了几何非线性与材料非线性因素，所以其得到的有限元结果往往大于理论值，即特征值屈曲计算得到的临界屈曲载荷往往比结构实际的临界屈曲载荷高出很多，导致塔筒塔门屈曲折减系数不准确，进而其屈曲强度评估也不精确。发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，用以解决塔门屈曲折减系数采用有限元通过线性分析使特征值屈曲计算不够准确的问题。[0005] 为实现上述目的，本发明的方案包括：[0006] 本发明的一种风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，包括以下步骤：[0007] 1)分别对塔筒中的含塔门塔筒段与不含塔门塔筒段结构进行三维建模，所述含塔门塔筒段三维模型包括底法兰、塔门段、塔门段顶法兰和塔门，所述不含塔门塔筒段三维模型包括底法兰、塔门段和塔门段顶法兰；[0008] 2)利用有限元分析软件对所述的三维模型进行有限元建模，得到两个有限元模型；[0009] 3)对所述的两个有限元模型分别进行边界约束与极限工况加载，根据极限工况加载情况进行极限计算与线性屈曲计算，并根据计算结果确定两个有限元模型的第一阶屈曲特征值；[0010] 4)对所述的两个有限元模型的材料进行弹塑性参数设置、边界约束，根据各有限元模型的第一阶屈曲特征值确定各模型的二次加载载荷，按照各二次载荷分别对两个有限元模型进行加载，根据二次加载情况进行非线性屈曲计算，根据计算结果分别确定各有限元模型的载荷比与位移关系的曲线；[0011] 5)根据各有限元模型的载荷比与位移关系曲线，得到自身的临界载荷比，将两个有限元模型载荷比的比值作为塔门的屈曲折减系数。[0012] 有益效果：本发明首先分别对含塔门塔筒段与不含塔门塔筒段结构的三维模型进行有限元建模，得到两个有限元模型，对两个有限元模型分别进行极限工况加载，根据加载情况进行极限计算与线性屈曲计算，根据计算结果确定两个有限元模型的第一阶屈曲特征值，对两个有限元模型的材料分别再次进行弹塑性参数设置、边界约束，考虑了材料非线性因素。根据各模型的第一阶屈曲特征值确定两个模型的二次加载载荷分别进行加载，根据加载情况进行非线性屈曲计算，并分别确定各有限元模型的载荷比与位移关系的曲线，根据曲线得到自身的临界载荷比，最后将两个有限元模型载荷比的比值作为塔门的屈曲折减系数，该方法考虑了非线性因素，通过两个模型的临界载荷比的比值确定塔门屈曲折减系数，通过该方法得到的塔门屈曲折减系数更加准确，更接近实际的塔门模型。[0013] 进一步地，所述步骤4)中二次加载载荷等于第一阶屈曲特征值与极限工况下的载荷的乘积，并以斜坡方式加载。[0014] 有益效果：本发明中二次加载载荷等于第一阶屈曲特征值与极限工况下的载荷的乘积，根据第一屈曲特征值和第一次加载载荷之间的关系，得到二次加载载荷。斜坡方式加载是以一种缓慢的方式进行载荷的加载，更符合实际工程情况，另一方面使非线性屈曲计算更加准确，进而得到的屈曲折减系数更加准确。[0015] 进一步地，在进行非线性屈曲计算时，先设置子步的数量，关闭自动时间步长，打开大变形开关，采用弧长法进行迭代计算。[0016] 有益效果：进行非线性屈曲计算时，通过设置子步的数量，关闭自动时间步长，打开大变形开关，并采用弧长积分法进行迭代计算，该过程考虑了几何非线性因素，采用弧长积分法，在迭代求解过程中可以自动调节增量步长，跟踪非线性屈曲平衡路径全过程，使得更好得到两个有限元模型的载荷比与位移关系。[0017] 进一步地，完成非线性屈曲计算后，根据时间步长开始下降点对应的节点位移结果，提取最大位移节点在整个时间步长的位移变化，结合计算时间步长绘制载荷比与位移关系的曲线。[0018] 有益效果：根据时间步长开始现将点所对应的节点位移结果，提取位移变化，位移变化结果有多个，提取最大位移节点在整个时间步长的位移变化，体现出了载荷对塔筒塔门的影响，方便绘制载荷比与位移关系的曲线，进而使屈曲折减系数计算结果更加准确。[0019] 进一步地，所述步骤2)在有限元建模时，利用有限元分析软件对所述含塔门塔筒段和不含塔门塔筒段的结构进行网格划分，根据三维模型内各部件的连接关系将各部件共节点处理，在塔底法兰中心建立节点用于加载，将顶法兰顶面与塔底法兰采用刚性梁单元连接，用于传递载荷。[0020] 有益效果：本发明根据三维模型内各部件的连接关系将各部件共节点处理，在塔底法兰中心建立节点用于加载，将顶法兰顶面与塔底法兰采用刚性梁单元连接，用于传递载荷。载荷通过梁单元传递至顶法兰，以实现对塔筒塔门受力关系的准确模拟。[0021] 进一步地，所述含塔门塔筒段和不含塔门塔筒段的结构均采用二十节六面体高阶单元进行网格划分，所述塔筒厚度和塔门厚度方向均细分网络，所述含塔门塔筒段模型中的应力梯度高的塔门和塔门与筒壁连接区域均加密网格。[0022] 有益效果：将塔筒厚度和塔门厚度方向以细分网络方式进行划分，以便能更好的体现塔筒内部应力状态。含塔门塔筒段模型中的应力梯度高的塔门和塔门与筒壁连接区域均加密网格，能够比较准确的模拟该区域的应力状态。[0023] 进一步地，所述进行弹塑性参数设置是在两个有限元模型的材料属性中分别设置屈服强度与切线模量所述屈服强度根据两个有限元模型的材料厚度对应屈服取值，所述切线模量为设定值。。[0024] 有益效果：本发明考虑了材料非线性因素，通过设置两个有限元模型的材料属性中分别设置屈曲强度与切线模量。[0025] 进一步地，所述步骤3)在进行极限计算与线性屈曲计算时包括：对底法兰的底面进行自由约束；在底法兰中心节点施加弯矩最大的极限工况，计算该极限工况下的载荷；打开预应力开关，进行线性屈曲计算，得到各有限元模型的第一屈曲特征值。附图说明[0026] 图1是本发明的实施例中含塔门塔筒段有限元模型示意图；[0027] 图2是本发明的实施例中不含塔门塔筒段有限元模型示意图；[0028] 图3是本发明的实施例中含塔门塔筒段有限元模型塔门网格划分示意图；[0029] 图4是本发明的实施例中含塔门塔筒段边界约束和加载示意图；[0030] 图5是本发明的实施例中不含塔门塔筒段边界约束和加载示意图；[0031] 图6是本发明的实施例中含塔门塔筒段载荷比与位移关系曲线示意图；[0032] 图7是本发明的实施例中不含塔门塔筒段载荷比与位移关系曲线示意图。具体实施方式[0033] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。[0034] 实施例：[0035] 一种风机塔筒塔门屈曲折减系数修正方法，首先分别对塔筒中的含塔门塔筒段与不含塔门塔筒段结构进行三维建模，利用有限元分析软件，对该三维模型进行有限元建模，对建好的两个有限元模型进行极限计算与线性屈曲计算，得到第一阶屈曲特征值与屈曲模态。对这两个有限元模型进行弹塑性参数设置、边界约束和进行二次载荷加载，并分别对两个有限元模型进行非线性屈曲计算，根据结果绘制出两个有限元模型的载荷比与位移关系曲线，根据载荷比与位移关系曲线，得到各自的临界载荷比，将两个模型临界载荷比的比值作为塔门的屈曲折减系数，具体实施步骤如下：[0036] 1.分别对塔筒中的含塔门塔筒段与不含塔门塔筒段结构进行三维建模。[0037] 本实施例以非常规塔门(变厚度塔门)作为研究对象，对塔筒塔门进行屈曲计算。在本实施例中，为进行塔筒塔门屈曲分析，可以截取塔筒模型底法兰至塔门所在段顶法兰的部分作为研究对象，其中可以将截取部分中的附属的内部平台、爬梯等对有限元结果影响较小的附件忽略。利用三维绘图软件，分别对所截取部分中的含塔门塔筒段与不含塔门塔筒段结构进行三维建模，得到含塔门塔筒段的三维模型与不含塔门塔筒段的三维模型。

其中，含塔门塔筒段的三维模型包括：底法兰、塔门段、塔门段顶法兰(为方便描述，可简称顶法兰)和塔门，不含塔门塔筒段的三维模型包括：底法兰、塔门段和顶法兰。

[0038] 2.利用有限元分析软件对含塔门塔筒段的三维模型和不含塔门塔筒段的三维模型进行有限元建模。[0039] 利用有限元分析软件对含塔门塔筒段的三维模型和不含塔门塔筒段的三维模型进行网格划分，如图3所示，并对各组件进行单元、材料、实常数、横截面等属性进行定义。具体为将含塔门塔筒段和不含塔门塔筒段的两种结构采用二十节点六面体高阶单元进行网格划分，具体而言，含塔门塔筒段结构中的顶法兰、底法兰、塔门段及塔门均采用solid186高阶单元进行网格划分。为更好的反应应力状态，塔筒段模型中的塔筒厚度和塔门厚度方向均细分网格，同时在含塔门塔筒的模型中，应力梯度高的塔门和塔门与筒壁连接区域均加密网格。具体的在本实施例中，为便于表征塔筒内部应力变化，塔筒厚度和塔门厚度方向网格划分为三层单元，为便于模拟塔门与筒壁连接区域的应力状态，将塔门与筒壁连接区域网格加密至180份。在不含塔门塔筒段模型中，单元尺寸采用统一尺寸0.2m。[0040] 在塔底法兰的中心建立一个主节点，用来加载，将塔底法兰与顶法兰通过beam188梁单元连接。以便将塔底的载荷传递至顶法兰。完成有限元建模，得到如图1所示的含塔门塔筒段有限元模型和如图2所示的不含塔门塔筒段的有限元模型。其中刚性连接梁单元截面为0.2m的圆形截面。[0041] 3.对含塔门塔筒段的有限元模型和不含塔门塔筒段的有限元模型进行边界约束和极限工况加载，进行极限计算和线性屈曲计算，根据计算结果得出第一屈曲特征值和屈曲模态。[0042] 如图4、图5所示，对两个模型的塔筒底法兰的底部进行自由度约束，将最危险的极限工况下的载荷(弯矩最大的极限工况)即塔底中心三个方向的力与三个方向的力矩同时加载到底法兰中心节点上，使此时塔门承受压力最大，打开预应力开关。将几何刚度矩阵计入后续的线性屈曲计算中。极限计算完成后，进行线性屈曲计算，将求解得到的结果输入到有限元分析软件后处理模块，得到两个有限元模型的第一阶屈曲特征值和屈曲振型模态。[0043] 4.对所述的两个有限元模型的材料进行弹塑性参数设置、边界约束，根据各有限元模型的第一阶屈曲特征值确定各模型的二次加载载荷，按照各二次载荷分别对两个有限元模型进行加载，根据二次加载情况进行非线性屈曲计算，根据计算结果分别确定各有限元模型的载荷比与位移关系的曲线。[0044] 具体地，基于IEC61400?6规范中的GMNIA方法，考虑几何非线性和弹塑性材料非线性因素，在非线性屈曲中设置弹塑性参数，即在含塔门塔筒段的有限元模型和不含塔门塔筒段的有限元模型的材料属性中添加对应的屈服强度和切线模量。非线性屈曲计算时需要设置弹塑性参数，即在有限元前处理模块设置材料屈服强度和切线模量，屈服强度依据材料不同厚度对应屈服取值，切线模量统一取保守值(零值)。而在线性屈曲计算时不需要设置弹塑性参数，线性屈曲计算仅定义材料的弹性属性即可，即弹性模量和泊松比及密度，没法考虑弹塑性。[0045] 对塔筒底法兰的底部进行边界约束，即直接约束两个有限元模型塔筒底部节点所有自由度。在进行线性屈曲计算和非线性屈曲计算时，对含塔门塔筒段的有限元模型和不含塔门塔筒段的有限元模型进行边界约束是有限元分析的前提，且针对线性屈曲计算和非线性屈曲计算时对这两个有限元模型的边界约束是一样的。[0046] 根据各有限元模型的第一阶屈曲特征值确定各模型的二次加载载荷，在两个有限元模型塔底中心节点施加二次加载载荷，该二次载荷等于线性屈曲计算得到的第一阶屈曲特征值与危险极限工况下的载荷的乘积，载荷以斜坡的加载方式逐步加载到塔底中心节点上。在对两个有限元模型进行非线性屈曲计算时，设置100个子步，同时关闭自动时间步长，打开大变形开关，采用弧长积分法进行迭代计算。在迭代求解过程中自动调节增量步长，跟踪非线性屈曲平衡路径全过程，最终求得使塔筒塔门段结构开始变得不稳定时的临界载荷比，因其考虑了几何非线性与材料非线性因素，使得计算得到的临界屈曲载荷更接近结构实际的临界屈曲载荷。非线性屈曲计算完成后，在有限元分析软件后处理模块查看时间步长开始下降点对应的节点位移结果，从其中提取位移最大的节点在整个时间步的位移变化，结合时间步长绘制出两个有限元模型的载荷比与位移关系曲线，如图6、图7所示。[0047] 5.根据含塔门塔筒段的有限元模型和不含塔门塔筒段的有限元模型的载荷比与位移关系曲线，得到两个有限元模型的临界载荷比，将这两个有限元模型的载荷比比值，作为塔门的屈曲折减系数，即屈曲折减系数＝含塔门塔筒段的有限元模型临界载荷比/不含塔门塔筒段有限元模型的临界载荷比。[0048] 通过上述过程，建立含塔门和不含塔门两种结构形式的塔筒段三维几何模型，将该模型导入有限元分析软件，利用有限元分析软件对该三维模型进行有限元建模，对该有限元模型进行非线性屈曲计算时，根据线性屈曲计算得到的第一阶屈曲特征值和极限工况下计算得到的载荷，进行二次载荷的加载，并对该有限元模型中的材料进行弹塑性参数设置，同时考虑几何非线性与材料非线性因素，采用积分法进行计算，得到的临界屈曲载荷更加贴近实际的临界屈曲载荷，通过两种有限元模型的临界载荷比的比值确定屈曲折减系数，得到的塔门屈曲折减系数更加准确，更接近实际的塔门模型。