对于风力涡轮发电机塔筒中切口的加强类型的比较

摘要

构造为圆柱形悬臂或圆锥形壳体的钢塔筒是一种非常有效的风力涡轮发电机塔，如今已被大量使用。这类塔架的一个典型特征就是靠近底部存在一个供人通过的切孔。这个切孔有着相当大的尺寸，明显降低了塔的强度，包括应力集中，并增加了局部弯曲的危险。因此，通常会去加强切孔附近的地方以补偿这种强度的损失。在本文中，通过实验测试校准的非线性有限元分析来研究最常见的加强类型，并强调每种类型的效率。研究发现，由外围框架或两个垂直桁条和环组成的简单加强类型特别有效，可以用来代替更为复杂的加强类型。此外本文还提出了加强件的尺寸规则。

1.介绍

风能作为一种成熟、有性价比的可再生能源正在日益受到重视，根据2030年的国家和欧洲目标，25％的能源将来自可再生能源，表明了这一趋势得到加强。

近年来使用的非常常见的风力涡轮机塔是管状钢塔，它由许多圆柱形和圆锥形的外壳组成，这些外壳在工厂制造并通过螺栓孔固定直立在现场（见图1（a））。这些塔的典型特征是在底部附近存在人孔切口，用于容许人员进入进行电气和机械设备维护（参见图1（b））。

图1

如EN1993第1-6部分所述，在旋转壳中有一个孔（圆柱形或圆锥形），半径r和厚度t在建模中可以忽略，其最大尺寸小于。风力发电机塔的切孔显著增大，并且明显地降低了塔的强度，包括应力集中和增加局部屈曲的危险。因此，加固切口通常是为了减轻其对塔强度的负面影响而进行的，除了最常见的加固外围框架之外，还有几种其他方式以达到相同的目的。

据作者所知，即使对具有非增强或加强切口的壳已经进行了一些实验（Brogan和Almroth，Almroth和Holmes，Schulz，Bennett等人，Baehre和Knouml;del，Knouml;del和Schulz，Ouml;ry等人，Salmi和Ala-Outinen），但仍然没有其他实验或数值研究工作，具体侧重于切割和切口加强对风力发电机塔的强度的影响。

Dimopoulos和Gantes最近在实验中研究了一种非加强或加强的切口对弯曲时圆柱形钢壳的强度的影响。选择简单的外围框架作为加强型切口，其对应于现代风力涡轮机塔架的几何形状和长度。实验结果也伴随着相应的数值模拟，确定了切口的存在显着降低塔架强度，而框架加强筋足以补偿强度损失。此外，实验和数值结果之间被证明存在着的良好对应关系，从而能够使用数值模型进行广泛的参数研究，旨在比较不同的加强类型和制定设计指南。

因此，在本文中，研究了不同类型的加强件对现代风力涡轮机塔具有切口的壳的强度的效率。为此，已经进行了ABAQUS的广泛数值研究。首先，描述了用作数值模型原型的典型现代风力涡轮机塔的特性；然后，提出本研究中考虑的加强类型。通过与实验结果比较，壳体的刚性变形和屈曲的非线性分析预测的可靠性得到了验证。然后研究梳齿扶强材的作用，以确定它们重要性。接下来，比较简单的加强类型和更复杂的类型。最后，对本文研究的两个较简单的加强件进行了比较，并提出了设计建议。

2.原型塔和加强型检查

用作实验样品原型的塔和数值模型由四部分组成（图2），下三部分为圆柱形，顶部为圆锥形，塔顶总高77米。这些部件中的每一个都由6至8个单独的壳体组成，高度为2.8m至3m，厚度为15mm至40mm。塔底部的外径为4000mm，顶部的外径为3000mm。门洞的切口在四个角处倒椭圆形角。门洞高度和宽度分别等于2900mm和850mm。切口的下边缘距壳体的底部550 mm（见图2）。加强筋是围绕门洞边缘焊接的周边框架，具有350mm高和60mm宽的矩形横截面。

图2

如上所述，靠近塔底的门洞切口的存在引起了应力集中和弯曲变大的危险，从而显著降低了塔的强度。为了补偿这种强度损失，加强该切口是常见的做法。已经提出从简单到复杂的不同的加强类型。

加强类型由独立件或组合件组成，这种部件包括围绕切口焊接的外围框架，两个垂直纵梁，框架和纵梁之间的梳齿加强件以及用于桁条的端环。在本研究中研究的最常见的加强类型如图3所示。

最简单的类型（图3a）仅由外围框架组成，是实际中最常见的一种。第二种类型由在切口的边缘附近焊接并伴有端环的两个桁条组成（图3b）。第三种类型是前两种类型的组合（图3c）。更复杂的类型来自第三个加上梳齿加强筋连接框架和桁条（图3d）。

图3

3.在横截面上加强件的效率

在本节中，通过评估加强件对横截面的塑性弯矩的贡献，研究了上述各种加强类型的有效性。假设局部屈曲被阻止，这些数据显示了横截面的弯曲强度。对于主要弯曲的壳体，如风力发电机塔架中的壳体，这被认为是比区域更换更为可靠的加固效率标准- ARM。根据该方法，A / A₀（其中A是加强筋的总横截面积，A₀是切口的横截面面积）等于1.0。加强件的总横截面面积A等于：

A = 2b_frt_fr 2b_strt_str （1）

其中b_fr,t_fr是框架加强件横截面的宽度和厚度，b_str,t_str是纵梁加强件横截面的宽度和厚度（图4）。在加强筋区域A中，不考虑加强型4中的梳齿加强筋的横截面积。在加强型1或2的情况下，只有方程式的相关特征量（1）。将等于零的无关数（即对于加强型2，b_fr,t_fr = 0）

在图 4中，描述了加强件几何形状的所有特征量：theta;₀是切口的对角半角，theta;₁是将横截面积分成两个相等部分的角度，theta;₂是桁条位置的角度。塑性弯矩由下式给出：

（2）

其中是横截面的区域，f_y是屈服应力，y_t和y_b是从PNA的塑性中性轴（PNA）上方和下方截面的两部分中每个部分的重心的距离。可以想到，将横截面分成两部分的相等的面积获得截面的塑性中性轴。公式所有参数的解析表达式 （1）对于没有切口或加强或加强切口的外壳，见附录A.

通过与材料非线性分析（MNA）获得的数值结果相比，所提出的分析表达式的精度已经得到满足，该数值结果是沿其整个长度具有均匀横截面的圆柱模型，指定了弹性完全塑性材料定律并进行纯弯曲所得的。

图4

如图5所示，针对加强件A / A₀的无量纲横截面面积的无量纲塑性弯矩M_pl,_CR / M_pl,₀给出了对于角度theta;₂的各种值的加强类型1和2。具有加强切口横截面的塑性弯矩M_pl,_CR在这里除以相应横截面而没有任何切口的塑性弯矩M_pl,₀。观察到，对于每种加强型，塑性弯曲强度的全补偿所需的A / A₀比是不同的。最有效的是加强型1，简单框架，因为加强件的材料被放置在距塑性中性轴线的最远距离处，并且A / A₀的所需值为1.0。另一方面，在加强型2 -纵梁加强的情况下，位置角度theta;₂显著影响着加强效率。这种类型加强的最有效位置在切口边缘（theta;₂=theta;₀asymp;12.4°）。对于这种情况，所需的A / A₀比等于大约为1.15，而对于较大的角度theta;₂，该比率增加。有趣的是，当加强筋靠近穿过横截面重心线时，它们对总塑性弯矩的影响可以忽略不计。

图5

4.在部件上加强件的效率

在本节中，通过介绍加强筋的总体贡献，同时考虑局部弯曲，来研究第2节中提出的各种加强类型的效率。为此，在上下文广泛的参数数值分析中进行完全非线性有限元分析，以便比较图3中替代加强型的效率，并提出了加强筋尺寸的准则。研究案例总结在表1中，结果列于以下部分：

表1

4.1.数值模拟的描述

数值模拟已经用有限元商业软件ABAQUS进行了。选择的壳单元是ABAQUS元素库的S4壳单元，它是一种用于有限薄膜应变的4节点双曲线通用壳单元。

只有原型塔的底部已经建模，其外径和厚度分别为4000mm和40mm，并且包含门洞。为了确定不受极限强度影响的最小高度，将模型部件的高度选择为6350mm，对不同高度进行一系列分析。

仿真模型的典型网格和分析中考虑的缺陷分别如图6 a和b所示。在分析中使用的几何缺陷是基于Rotter和Teng给出的A型焊缝缺陷的向外轴对称缺陷，具有最大不完整幅度w₀。 发现这种缺陷对于这种细长范围内的壳体来说是最关键的，发现这种类型的缺陷是对这种细长度范围内的贝壳最关键的。经过广泛的参数调查，缺陷应用于切口的中间高度，而在没有切口的壳体的情况下，它应用于壳体的中间高度。

图6

采用弹性完全塑性材料定律，杨氏模量，屈服应力和泊松比分别为210 GPa，355 MPa和0.3。

在所有仿真模型中，壳的下边缘被认为是固定的。以桁条为例，每个桁条的下边缘也被认为是固定的。通过多点约束（MPC），壳体用集中旋转将其加载到其上部的中心。

使用有缺陷的几何和材料非线性分析（GMNIA）作为最适合的可靠性估计数值模型。通过与没有切口的壳体的实验结果相比较，具有非加强型切口的壳体和具有A / A₀ = 1.23的外围框架加强型壳体的比较，对数值模型进行了验证。反映了实验程序和数值模型验证的细节，而实验和载荷-位移曲线的比较如图7所示。对应于载荷-位移曲线的临界点的最大载荷被认为是最终载荷。

图7

4.2.没有切口的外壳强度

作为数值方法的第一步，使用MNA / LBA方法以及GMNIA方法获得没有切口的壳体的强度。根据MNA / LBA方法，借助MNA和LBA分析估算长度等于：

(3)

其中M_MNA和M_LBA分别是塑性弯矩和线性弯曲弯矩。由于在这种情况下，可以使用用于估计塑性弯矩强度M_pl,₀和线性屈曲弯矩M_cr的分析表达式。这些表达式也通过数值分析验证，其完善的准确度如下：

(4)

其中E是杨氏模量，nu;是泊松比。

用于估计壳的弯矩强度所需的还原因子x与长度lambda;有关，并由下式给出：

(5)

其中alpha;是弹性缺陷减少因子，beta;是塑性范围因子，n是相互作用指数，lambda;₀是相对长度的壁垒极限。

在研究壳体中，等式（4）中的M_pl，0和M_cr分别等于222686.3 kNm和1264032 kNm，根据MNA / LBA方法，壳体的长度约等于0.42，而对于质量A，B和C，还原因子x分别等于0.8623,0.8517和0.8329。壳体M_Rk的特征弯矩强度等于x·M_pl，对于研究壳体的结构质量A，B和C，M_Rk分别等于192033 kNm，189651.7 k Nm和185470.9 k Nm。在下文中，用MNA / LBA方法获得的强度也将被称为规范强度。

用于预测没有切口的壳的强度的另一种方法是完全基于非线性分析与缺陷的GMNIA方法。如上所述，A型向外焊接缺陷被用作初始几何缺陷，而最大振幅w₀ / t反映了三个质量等级（A，B，C）中的每一个的GMNIA分析的构造公差或建议幅度。根据EN1993-1.6，在表2中，提供了与特定公差相对应的三个壳体质量的无量纲缺陷幅度w₀ / t或由EN1993-1.6建议的GMNIA分析的不完整幅度。在图8中，给出了每个质量等级（A，B，C）的力矩-旋转曲线。

图8

表2

GMNIA分析建议的缺陷幅度大于相应的结构公差，这是因为在非线性数值分析中，在实际结构中仅考虑几何缺陷，但也会遇到其他类型的缺陷，例如负载和支撑件的偏心率，以及材料特性与其标称值的偏差，其中可能对壳的强度有负面影响。GMNIA分析提出了较大的缺陷幅度就是为了捕获对直接建模的其他类型缺陷的壳强度可能产生的负面影响。所以在图

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