[发明专利]一种风电机组塔架屈曲稳定性的预测方法及系统

说明书

本发明提供了一种风电机组塔架屈曲稳定性的预测方法及系统，包括：基于塔架各截面的受力参数计算塔架各截面的屈曲余量；利用构建的塔架门有限元模型计算塔架门截面的折减系数；基于所述各截面的屈曲余量和所述塔架门截面的折减系数得到所述塔架门截面的屈曲余量；基于所述风电机组塔架各截面的屈曲余量和所述塔架门截面的屈曲余量确定风电机组塔架的稳定性。本发明采用工程算法与有限元相结合的方式，快速准确的计算塔架屈曲稳定性，既提高了计算的准确性，又缩短了计算时间提高了工作效率，可为各主机厂提供技术服务，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及风电机组领域，具体涉及一种风电机组塔架屈曲稳定性的预测方法及系统。

背景技术

现代大型风电机组塔架采用薄壁型圆柱结构，高度在100m左右，底部直径在5m左右，壁厚不到直径的1/100，属于典型的细长薄壁结构。在实际应用中，风电机组塔架底部固定，顶部自由并且承受机舱和风轮的重力和风载，该结构形式容易发生失稳。随着风电机组单机容量的不断增大，重量和外形尺寸随之增大，塔架的高度也在随之增加，作用在塔架上的重力载荷和气动载荷更加明显。风电机组塔架的稳定与安全是风电机组安全运行的保障，因此对风电机组稳定性方面的研究一直受到广泛关注。

在结构屈曲稳定性研究方面，经典的固体力学在柱壳屈曲方面形成了丰富的理论成果。20世纪初期，研究者们应用线性理论获得了一些柱壳的理论成果，给出了著名的轴压柱壳和外压球壳失稳的临界载荷公式。1934年，Donnell应用非线性大扰度理论，建立了非线性柱壳大扰度方程。风电机组塔架属于细长的薄壁结构，顶部支撑着较大质量的机舱和风轮，屈曲是结构的主要破坏形式。Seung-Eock Kim等研究了圆柱壳在轴压作用下的屈曲强度，应用数值分析法来估算屈曲强度，得到了屈曲强度会随着壳直径与厚度比的增加急速下降，随着壳高度与直径比的增加稍微下降的结论，这结论同样适用于风电机组塔架。陈兴华等分析了轴压载荷下圆柱壳的屈曲，指出加筋板有助于提高柱壳的屈曲性能，但对风电机组塔架在风轮、机舱载荷和塔架自身重力作用下引起的屈曲问题没有进行系统研究。

现有技术采用有限元屈曲分析，建立塔架模型，划分网格，假定塔架底部与基础固接，在塔架顶部设置载荷施加点，然后进行线性屈曲分析。而线性屈曲分析以小位移线性理论假定为基础，在结构受到载荷作用过程中忽略结构形状的变化，可求解在不同载荷模式下的线性屈曲载荷及对应的失稳模式，线性屈曲问题可转化为如下所示的特征值问题：

([K₀]+λ_i[K_σ])v_i =0

式中[K₀]为初始刚度矩阵，[K_σ]为应力刚度矩阵，λ_i为第i个特征值，即屈曲载荷与实际载荷的比值，v_i为第i个特征向量。

现有技术采用整体有限元方法，需要建立塔架的完整有限元模型，模型规模较大，对复杂的载荷条件和边界条件处理存在局限性，计算缓慢。并且塔架设计是个反复修改迭代的过程，塔架外形设计上每改动一次就需要重新建立有限元模型，工作量巨大。同时目前风电机组处于快递发展阶段，技术人员能够对新的设计进行快速响应尤为重量，现有技术不适用于工程技术应用。

发明内容