MW级风力发电机塔筒门框优化设计

晁贯良¹，祝蕴龙¹，孙刚峰¹，张文彬²

(1.许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌461000)

(2.国家电投集团河南新能源有限公司，河南 郑州450001)

基金项目：许继集团综合计划项目(2019G37)

作者简介：晁贯良（1985—），男，工程师，硕士，主要从事风电机组有限元分析工作，chglliang@163.com.

摘要：针对MW级风力发电机塔筒门框的设计问题进行研究，运用有限元分析软件Workbench建立塔筒底段有限元参数化模型；通过响应面分析，研究了门框几何尺寸对其等效应力的影响，基于危险工况确定了门框设计方案；基于EN1993-1-6和IIW规范，分别利用工程分析和有限元方法，针对塔筒门框进行了稳定性分析以及疲劳强度校核。研究结果表明，优化后的门框方案满足设计要求，说明该设计方案具有工程实用价值，同时也为塔筒门框的结构设计提供了一种新方法。

关键词：门框；优化设计；屈曲；疲劳

中图分类号：TH128   献标识码：B   文章编号：2095-509X(2020)12-0021-07

塔筒是风力发电机的主要承载部件，其将风力发电机与地面连接使风力发电机支撑在有利的高度以达到最经济安全的风能利用。塔筒不仅要承受风力发电机的质量，还必须承受吹向风力发电机和塔筒的风载，以及风力发电机运行中产生的动态载荷。塔筒必须具有足够的抗疲劳强度，能够承受风轮引起的振动载荷，在风力发电机设计使用寿命期间满足各种复杂环境下强度、刚度和稳定性的要求^［1］。

为了方便人员及设备进出，塔筒底端一般需要开设门洞，这使得塔筒底端的强度和刚度被大大削弱，实际工程中通常在门洞处增设与筒壁通过全熔透T型焊缝连接的环形筋板进行补强^［2］。由于门框附近的应力集中现象以及焊缝容许疲劳应力幅较低，需要门框几何形状、筋板厚度及以及筒壁厚度满足一定关系以降低筒壁与环形筋板连接处的最大应力、门洞缺口因子和疲劳应力幅，使塔筒门框满足极限、疲劳和屈曲的设计要求^［3］。

本文针对MW级风电机组100 m塔筒门框初始设计方案进行工程分析，以塔筒门框以及门框附近塔筒壁强度为约束目标，利用Workbench软件进行塔筒门框结构优化计算；根据EN1993-1-6规范进行门框屈曲强度校核；利用有限元软件ANSYS对该优化结构进行有限元建模，并基于线性累积损伤理论对门框优化结构进行疲劳强度校核，得到塔筒门框以及门框附近塔筒壁的最大疲劳损伤；最后根据工程焊接要求进行塔筒壁厚布置，确定最优的塔筒门洞截段设计方案。