在役某损坏风电机组塔简静态载荷仿真及验证

摘要：塔筒是风力发电机组的重要部件及承重部件，对其仿真和测试有助于预测塔筒的性能，从而保证整个风力发电机组正常运行。塔筒在实际运行过程中可能会受到损坏，判断损坏部分对整个风力发电机组的影响非常重要。本文对损坏塔筒进行建模并在ANSYS中进行了静力学分析，同时设计了损坏塔筒载荷的测试方案，通过对损坏塔筒的载荷测试结果与仿真结果的比较，验证了塔筒仿真模型的准确性。损坏塔筒仿真能较快地分析出损坏部分的影响，也为后续的疲劳测试奠定了基础。

关键词：塔筒损坏影响分析；静态载荷仿真；载荷测试

一、引言

随着能源和环境的压力增加，清洁可再生的新能源今年受到普遍重视。风能作为清洁可再生能源，成本较低且取之不尽，受到了发电企业愈来愈多关注。

对于风力发电机组机械结构件，对载荷的全面了解和准确量化是极为重要的，风电机组制造商对每种机型都进行载荷型式测试，已验证结构设计中各种模型的准确性。塔筒作为风电机组重要机械部件，支撑机舱和叶片的正常运行。如果机组在运行过程中由于外力作用导致塔筒产生了部分损坏，判断此损坏部分对机组载荷影响大小尤其重要。

本文依据国内河北某风电场塔筒被外力损坏实际情况以及机组参数，建立完好和损坏塔筒模型并加载合适载荷，得到风电塔筒损坏部位在损坏前后所受载荷差值；并通过搭建风电机组载荷测试系统进行载荷测试，并与仿真数据进行比对，验证塔筒建模准确性，为后续疲劳测试打下坚实基础。

二、风电塔筒静态载荷仿真

（一）风电塔筒模型建立

国内河北某风电场塔筒因叶片断裂砸中，产生多个凹坑，因业主要求需对损坏部位对塔筒整体载荷影响分析。

本文利用Solidworks 2010建立塔筒模型，根据现场实测数据以及建模可行性建立损坏塔筒模型。塔筒模型凹陷的深度为12mm、宽度为225mm、缺陷数量为8个、均布在离塔塔筒底部8200mm的圆周上，完好和损坏塔筒模型分别如图1和如图2。

（二）风电塔筒静态载荷仿真

塔筒模型建立好后，选择合适的仿真软件至关重要，根据模型及载荷特点选择ANSYS12.0软件，对风电塔筒静态载荷进行模拟仿真。ANSYS12.0是目前国际上最著名的大型通用有限元分析计算机程序，它是融合结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件。

将Solidworks 2010建立的完好及损坏塔筒模型导入ANSYS12.0进行静强度分析，通過仿真计算分析比较，得出塔筒损坏后应力值发生变化位置大小。

1.静态载荷仿真输入载荷选择

对完好塔筒模型和缺陷塔筒模型进行ANSYS分析，分析过程中网格划分采用自由网格划分，采用底端固定，水平加载和复合加载的方式。通过估算，水平载荷X轴方向大小为255KN，Z轴方向大小为110KN，Y轴方向大小为0KN；复合载荷为水平载荷以及垂直方向载荷800KN。

2.静态载荷仿真结果

2.1完好塔筒载荷仿真结果

将Solidworks建立的完好塔筒模型导入到ANSYS12.0，分别施加水平载荷和复合载荷，网格划分最小边长为45.6cm。施加水平载荷结果如图3，最大应力为46.245MPa，施加复合载荷结果如图4，最大应力为50.964MPa。

2.2损坏塔筒载荷仿真结果

将Solidworks建立的损坏塔筒模型导入到ANSYS12.0，分别施加水平载荷和复合载荷，网格划分最小为46.7cm。施加水平载荷结果如图5，最大应力为48.208Mpa，施加复合载荷结果如图6，最大应力为52.693 Mpa。

三、塔筒载荷测试

（一）风电塔筒载荷测试方案

ANSYS12.0仿真结果表明，完好塔筒和损坏塔筒在损坏处载荷误差达到12%。为验证模型建立的准确性，在塔筒损坏处及在同一水平面完好部位进行载荷测试，以验证在输入相同载荷的情况下，两者载荷误差大小，并与仿真结果进行比较。

对于筒型塔架，应在两个相互垂直的方向上测量塔筒任意位置处的弯矩。应在塔架高度20%以下，并尽可能靠近塔底法兰的位置，安装应变计全桥测量塔底弯矩。同时，应避免塔底法兰、门等构件的载荷引入效应造成的干扰。

（二）风电塔筒载荷测试系统设计

测试数据采集系统由四个imc CANASA模块（SC16，DI16）以及一个imc CS7008主机模块组成，模块之间通过CAN协议传输数据，测试系统框图如图7。一个SC16模块安装于轮毂中，主要采集叶片根部弯矩信号；一个SC16模块安装于风电机组塔筒顶部平台，主要采集塔筒顶部的弯矩与扭矩信号；一个SC16模块与一个DI16模块一起安装于测风塔平台上，用于测量风速、风向、温度、湿度、气压等气象信号。塔底的弯矩信号与风电机组控制系统中输出信号由安装在塔筒底部的主机模块采集。

（三）风电塔筒弯矩与扭矩测试

塔筒底部弯矩的测量采用粘贴应变片的方式。应变片的型号为HBM XY31-6/350，灵敏度系数为2.00。塔筒顶部弯矩测量应变片位于塔顶法兰下平面0.90 m如图8，塔筒底部应变片的安装位置如图9，应变片安装位置距离塔底法兰上平面1.00 m。

（四）数据验证

为验证塔筒损坏前后仿真数据准确性，在塔筒损坏处及在同一水平面完好部位进行载荷测试，部分测试数据如图10和如图11，具体数据见表2。通过与表1对比后，测试数据与仿真数据基本一致。

四、结束语

本文依据国内河北某风电场塔筒被外力损坏实际情况及机组参数，建立了完好和损坏塔筒模型并加载合适载荷，得到风电塔筒损坏部位在损坏前后所受载荷差值；并通过搭建风电机组载荷测试系统进行载荷测试，并与仿真数据进行比对，验证了塔筒仿真模型的准确性，并为后续疲劳测试打下坚实基础。

参考文献：

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[2]郭亮，王维庆，应昕，何山.基于虚拟仪器的风电机组疲劳载荷测试系统[J].太阳能学报，2008，29（3）：349-353.

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（作者单位：盐城市产品质量监督检验所）