风力机塔架模态分析及应用

黄东胜。王朝胜１，邹富顺，黄方林。

（１．长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙４１０１１４；２．中南大学土木建筑学院，湖南长沙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；计算结果表明塔架与叶轮不会发生共振，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

随着我国风力发电的广泛使用，风力发电机正朝着大型化方向发展。为了更好地发展风力发电机行业，机组塔架的设计问题Ｅｔ益突出。塔架的主要功能，是支承风力发电机的机械部件、发电系统，承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等【ｌ】。

水平轴风力机塔架，由于顶端都安装有较大质量的机舱和旋转的风轮，塔架受到它们的载荷和叶片旋转产生的动载荷，在自然风的作用下，风速、风向和风压也会对塔架产生动载荷。由于它们的共同作用，这些载荷会引起塔架的变形和振动，这种振动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［－＇－＇ｚｌ。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：即侧向弯曲振动模态、前后弯曲振动模态和扭转振动模态四。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频率重合，或者是否避开了叶轮旋转激励频率一定的范围闱。

１塔架模型及计算参数

１．１塔架的有限元模型

塔架为圆筒型，塔高４８．７８ｍ，塔底与塔顶直径分别为３．２５ｍ和２．１６ｍ，塔底设有舱门。塔架共３段，各段间用法兰与螺栓连接。塔架几何模型如图１。对几何模型划分时，采用ＳＯＬＩＤ９５单元，由于ＳＯＬＩＤ９５单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，同时，其偏移形状的兼容性好，ＳＯＬＩＤ９５有２０个节点定义，每个节点有３个自由度，（ｘ，Ｙ，ｚ方向），此单元在空间的方位任意。本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力，并且提供不同的输出项，故采用此单元能很好模拟塔架的真实情况，划分完可得到有限元模型如图２。

文章编号：１６７２—５４５Ｘ【２００９）０９－－．００１９－０３图１塔架几何模型

图２塔架有限元模型

图３塔底局部放大图

１．２风力机组各项参数

水平轴风力机在运行时，其运动情况如图４。

风、

壤

图４风力机塔架的运动情况旧

坐标系原点位于塔架底部圆心，塔架中心线为Ｙ轴，ＸＹＺ坐标系遵循右手准则。

收稿Ｅ１期：２００９－０６－１７

作者简介：黄东胜（１９６０一），男，湖南邵阳人，副教授，硕士，研究方向：计算机辅助分析与设ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏ．９，２００９

塔架材料取Ｑ３４５，其性能指标见表ｌ。

裹１塔架材料的物理性能

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；

（２）在变厚度的塔壁处，仅将焊接后的形状模拟出来，使塔架壁呈现渐变，不考虑焊接的诸如焊缝缺陷及残余应力；

（３）整体模型中建立法兰，但不考虑两法兰之间的接触影响，将两法兰进行粘结，使之成为一体。

（４）塔顶质量模拟。在塔架顶端创建一个质量单元节点，质量点的位置在机舱、轮毂和叶片的合重心位置，考虑了质量点的偏心，质量为机舱、轮毂和叶片的质量和。对质量点三个方向ｘ、Ｙ、ｚ的转动惯量进行设置，转动惯量的大小为机舱、轮毂和叶片的转动惯量在合重心位置的和。然后将质量单元节点与塔架顶部单元节点通过无质量刚性梁（采用粱单元ＢＥＡＭ４４）相连接（见图５）。通过定义这样一个塔顶模型，在计算时可以很好地考虑机舱、轮毂和叶片质量及转动惯量对塔架模态的影响。

图５塔顶质量模拟图

（５）基础质量模拟。在塔架底部创建一个质量单元节点，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，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）。

２０图６基础刚度模拟图

３计算结果

根据上述方法，利用ＡＮＳＹＳ有限元软件对塔架进行模态

分析，求得了塔架前７阶的固有频率及振型，见表２。

表２塔架的固有频率（Ｈｚ）

图７塔架前五阶梗态振型

由各阶振型图可知，塔架的第一和第二阶频率、第四阶和

第五阶频率，以及第六阶和第七阶频率在数值上两两几乎相

等。相同模态的出现，是由于结构的对称性所致。它们具有几

乎相同的形状，只是在相互成９０。平面内变形，也可以把它们

两两看成一个模态。

由结构动力学理论可知，风力机的自由振动部分对结构

影响不大，故在一般的结构设计中，可只考虑受迫振动。假设

叶轮激励频率为０，激励载荷幅值为Ｐ，塔架固有频率为山，因

此可得到塔架振动位移（不考虑阻尼）：

弛）＝‰—之广ｓｉｎ山ｌ（１）

（卜寺）

令－／ｚ＝ｉ１军，

则有：巾）＝五。ｐｓｉｎ甜ｔ

再令卢＝导，

则ｐ＝丽１

风力机塔架模态分析及应用

作者：黄东胜， 王朝胜， 邹富顺， 黄方林， HUANG Dong-sheng， WANG Chao-sheng， ZOU Fu-shun， HUANG Fang-lin

作者单位：黄东胜,王朝胜,邹富顺,HUANG Dong-sheng,WANG Chao-sheng,ZOU Fu-shun(长沙理工大学汽车与机械工程学院,湖南,长沙,410114)， 黄方林,HUANG Fang-lin(中南大学土木建筑学院

,湖南,长沙,410075)

刊名：

装备制造技术

英文刊名：EQUIPMENT MANUFACTURING TECHNOLOGY

年，卷(期)：2009，""(9)

被引用次数：0次

1.顾岳飞兆瓦级风力发电机组塔架结构的优化设计 2007(05)

2.宫靖远.贺德馨.孙如林风电场工程技术手册 2004

3.李本立.宋宪耕风力机结构动力学 1999

4.赵立新风力发电机塔架的有限元分析与优化设计 2008

5.刘万琨张志英风能与风力发电技术 2006

6.李华明基于有限元法的风力发电机组塔架优化设计与分析 2004

1.期刊论文周勃.费朝阳.陈长征.Zhou Bo.Fei Chaoyang.Chen Changzhen风力机塔架的振动特性研究-振动工程学报2004,17(z2)

利用有限元分析研究了风力机塔架的动态特性及影响因素,如结构设计和所受载荷分布特点,确定适合的有限元模型和划分网格的方法,并验证分析结果;根据塔架静荷载和风荷载的特点,计算风力机锥筒型塔架的固有频率,并分析塔架产生共振的可能性;研究三种有意义的振动模态:侧向弯曲模态、前后弯曲模态和扭转模态,通过塔架的振型曲线分析塔架的动态性能,为风力机塔架的结构动态设计提供有效的依据.

2.学位论文吕钢基于有限元法的水平轴风力机塔架动态响应与优化问题研究2009

被称为“蓝天白煤”的风力资源，是一种取之不尽、不会产生任何污染的可再生新能源。随着大型水平轴风力发电机组的单机容量向10MW级水平以及塔架高度向120m高度发展，作用在塔架上的风载荷的交变性和随机性将更为明显，因此，对于塔架的结构动力学特性分析，是发展风力发电产业的重要基础研究工作之一。

塔架是风力发电机主要的承重部件，直接影响机组的稳定性和整机性能。本文在分析了现阶段国内外风力发电技术的发展状况及趋势的基础上，引入致动盘概念和叶素理论，以MW级风力发电机组为对象，对塔架在极限载荷等变工况下的静强度、疲劳强度和动力学响应问题进行了研究。利用ANSYS力学分析软件，对大型风力发电机的圆筒型塔架进行了数值仿真研究，为塔架的动态设计提供了理论依据。通过仿真研究获得的主要结论如下：

1）在风压和风切变产生的随机激励扰动的作用下，进行了塔架的静强度分析，检验了塔架在各种载荷情况下的最大应力是否超出材料的许用应力

，是否满足静强度要求。极限情况下塔架的受力是静强度分析的重点，是影响风力机使用寿命的关键。

2）基于塔架的静强度分析，找到塔架的疲劳危险点，通过研究危险点处的疲劳情况，来衡量整个塔架的疲劳状况，通过ANSYS的疲劳分析模块，验证了风力机塔架使用寿命情况，合乎风力机塔架的设计使用寿命，满足疲劳强度要求。

3）根据多自由度模态分析理论，提出了“弹性铰”力学模型，对水平轴风力发电机塔架的振动模态进行了仿真。运用矩阵迭代法对模型进行数值计算，分析了塔架在自由振动时的力学特性，获取了塔架的固有频率和振型。结果表明，塔架的一阶固有频率高于叶片通过频率，属刚性塔，不会因风轮激励而产生共振；依据振动理论，塔架振动过程的能量主要集中于一、二阶频率处，而一、二阶振型均为摆振，因此摆振是塔架的主要振动方式，是引起塔架疲劳破坏的主要原因。

4）利用ANSYS软件中的优化设计模块，以塔筒的壁厚为设计变量，以材料的许用应力为约束，以塔架的体积为目标函数进行了优化设计，最终得到圆筒型塔架壁厚的最优值。并验证了优化后的塔架满足静强度、模态分析、疲劳强度以及屈曲强度等方面的安全性能，为塔架的优化奠定了理论基础。 研究表明，关于风力机塔架的振动是影响风力发电机组稳定性和整机性能的关键性研究，是风机研究的基础性问题。

3.会议论文周勃.费朝阳.陈长征风力机塔架的振动特性研究2004

利用有限元分析研究了风力机塔架的动态特性及影响因素,如结构设计和所受载荷分布特点,确定适合的有限元模型和划分网格的方法,并验证分析结果;根据塔架静荷载和风荷载的特点,计算风力机锥筒型塔架的固有频率,并分析塔架产生共振的可能性;研究三种有意义的振动模态:侧向弯曲模态、前后弯曲模态和扭转模态,通过塔架的振型曲线分析塔架的动态性能,为风力机塔架的结构动态设计提供有效的依据.

4.期刊论文刘雄.李钢强.陈严.叶枝全.田鹏.Liu Xiong.Li Gangqiang.Chen Yan.Ye Zhiquan.Tian Peng水平轴风力机筒型塔架动态响应分析-太阳能学报2010,31(4)

为获得水平轴风力机塔架在时变载荷作用下的动态响应,将塔架简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,分析了塔架弯曲振动固有动力特性.在建立塔架结构动力动方程、计算塔架所受时变载荷的基础上,运用线性加速度法和模态叠加原理对风力机塔架的动态响应进行计算,编制了相应的计算机程序.以某1.0MW风力机塔架为例,获得了风力机在湍流风运行条件下塔架在仿真时间内的位移、速度和加速度,并与"GHBladed"软件的计算结果进行了比较,表明计算模型是可行的.

5.期刊论文陈严.申新贺.韩新月.CHEN Yan.SHEN Xin-he.HAN Xin-yue风力机塔架的动力学CAE分析系统开发-机械设计与制造2009,""(4)

基于有限单元法,利用VC开发了ANSYS平台下的风力机塔架的有限元建模和动力学分析系统.在VC程序中使用APDL语言封装ANSYS,由系统生成的APDL数分析的一体化.计算结果的对比分析表明,本软件的计算模型正确,能很好的用于风力机总体设计过程中对塔架结构的动力学分析.

6.期刊论文刘胜祥.李德源.黄小华风波联合作用下的风力机塔架疲劳特性分析-太阳能学报2009,30(10)

研究了海上风力机圆筒型塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法;建立了基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的混泥土塔架安全寿命估计方法.应用线性波理论仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒型塔架上的波浪载荷.通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,建立了波浪力的分析计算模型;用有限元数值分析方法,求解了塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等;用雨流计数法统计循环参量

,将工作循环应力水平等寿命转换成对称循环下疲劳载荷谱,分析了变幅载荷谱下塔架的疲劳损伤及疲劳寿命.算例表明:该文的工作为海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供了实用的分析方法.

7.期刊论文谢峰.赵吉文.沈维蕾.周必诚600KW风力机塔架结构的仿真设计-系统仿真学报2004,16(1)

采用先进的数值模拟技术对600KW风力机的塔架进行了静、动态分析.在静力分析中,分析了塔架所受的最大载荷,及对应的最大应力,并对其强度进行了校核.在动态分析中,计算出了塔架前五阶固有频率.为了优化塔架的结构参数,采用正交设计对其结构尺寸进行了优化.本文的研究为风力机的仿真设计创出了一条新的路子.

8.期刊论文王朝胜.黄东胜.邹富顺.黄方林.WANG Chao-sheng.HUANG Dong-sheng.ZOU Fu-shun.HUANG Fang-lin

风力机塔架模态分析及应用-电力学报2009,24(6)

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.计算结果表明塔架与叶轮不会发生共振,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.

9.期刊论文黄珊秋.陆萍.Huang Shanqiu.Lu Ping ZOND Z-40风力机塔架的模态分析-太阳能学报2001,22(2)

对由美国引进的ZOND Z-40风力机塔架和我们自己设计的塔架的固有振动特性进行了计算，通过模态分析，结果表明：用国产的风力机塔架可以替代进口塔架。

10.期刊论文赵吉文.刘永斌.宁.孔凡让.ZHAO Ji-wen.LIU Yong-bin.CHEN Jun-ning.KONG Fan-rang基于混

沌搜索的600KW风力机塔架结构优化设计-系统仿真学报2007,19(11)

采用有限元方法对风力发电机塔架进行模态分析,得出了不同结构参数下塔架的固有频率;然后采用支持向量机(the Support Vector Machine)建模方法,建立了塔架结构参数与固有频率之间的快速计算模型;以混沌搜索为寻优手段,对塔架结构进行了优化;将优化结果和正交优化结果进行了比较,并采用有限元方法对所得塔架结构进行强度校核.研究深化了风力机的仿真设计,取得了较好的效果.

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下载时间：2010年8月15日