本申請(qǐng)涉及分片式塔架設(shè)計(jì)，具體而言，涉及一種分片式塔架屈曲計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、隨著風(fēng)電開(kāi)發(fā)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，應(yīng)用規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)鏈配套體系日漸成熟，整個(gè)風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)尤為激烈，由此對(duì)各整機(jī)商提出更高要求，技術(shù)降本的重要性凸顯。目前陸上大兆瓦機(jī)型已成為各大整機(jī)商的主流應(yīng)對(duì)方案，然而風(fēng)電機(jī)組大型化對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的各方面要求也提出了挑戰(zhàn)，機(jī)組大型化帶來(lái)了塔頂氣動(dòng)推力和俯仰彎矩的增加，塔架增高導(dǎo)致了塔底力臂的增加。兩者疊加起來(lái)使塔底的彎矩載荷大幅度增加，對(duì)此可以通過(guò)增大鋼塔直徑提高截面抗彎模量來(lái)應(yīng)對(duì)，但陸上運(yùn)輸制約著大直徑鋼塔設(shè)計(jì)。對(duì)此，分片式塔架（鋼塔）的設(shè)計(jì)方式營(yíng)運(yùn)而生。分片式塔架采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)單節(jié)塔段由多片預(yù)制板材拼合而成，其中，塔筒的筒壁分片段有著縱向法蘭相連接。

2、分片式塔架的推出旨在解決運(yùn)輸過(guò)程存在的限高、限寬以及超重問(wèn)題，從而進(jìn)一步解決塔筒設(shè)計(jì)直徑限制導(dǎo)致的設(shè)計(jì)成本增加難題，可滿足于山地丘陵等運(yùn)輸路線限制區(qū)域使用。雖然分片段有著縱向法蘭，一定程度上可視為筒體加勁肋，有利于屈曲設(shè)計(jì)，但同時(shí)也由于縱向法蘭的存在以及塔段分瓣帶來(lái)的連接薄弱區(qū)域，使分片式塔架整體應(yīng)力較為復(fù)雜，因此就需要更加安全可靠的屈曲設(shè)計(jì)評(píng)估方法進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)塔架屈曲計(jì)算方法提出了新的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N分片式塔架屈曲計(jì)算方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中采用分片式塔架，因?yàn)榭v向法蘭和塔段分瓣形成新的薄弱區(qū)域，對(duì)塔架的屈曲強(qiáng)度校核提出更高要求的問(wèn)題。

2、根據(jù)本申請(qǐng)?zhí)峁┑囊环N分片式塔架屈曲計(jì)算方法，分片式塔架具有與筒壁連接的縱向法蘭，該方法包括：

3、s10，針對(duì)分片式塔架建立有限元模型；

4、s20，對(duì)有限元模型進(jìn)行l(wèi)ba分析，獲取分片式塔架的靜力屈曲分析結(jié)果，靜力屈曲分析結(jié)果包括：臨界屈曲因子；

5、s30，對(duì)有限元模型進(jìn)行mna分析，獲取分片式塔架的塑性基準(zhǔn)抗力比；其中，在mna分析中，向有限元模型加載的塔底極限載荷根據(jù)lba分析獲取的臨界屈曲因子確定；

6、s40，利用臨界屈曲因子和塑性基準(zhǔn)抗力比進(jìn)行幾何缺陷修正屈曲計(jì)算，獲得設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子；

7、s50，根據(jù)設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子，判定分片式塔架是否滿足屈曲校核要求。

8、在一些實(shí)施例中，在步驟s20和步驟s30中，在lba分析和mna分析中，需加載如下兩種工況：

9、發(fā)生于縱向法蘭與筒壁連接處的彎矩屈曲工況，以及發(fā)生于筒壁上的扭轉(zhuǎn)屈曲工況；其中，在加載彎矩屈曲工況時(shí)，沿筒壁的周向每隔10-15°加載一次工況。

10、在一些實(shí)施例中，在步驟s20中，lba分析中加載的塔底載荷包括合力矩以及合力：

11、，，，，和；

12、在步驟s30中，mna分析中加載的極限塔底載荷包括合力矩以及合力：

13、，，，，和；

14、其中，表示預(yù)先給定的載荷因子，=n，n為放大因數(shù)，取值大于等于1。

15、在一些實(shí)施例中，在步驟s10中，針對(duì)分片式塔架建立有限元模型，包括：

16、采用高階三維二十節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元solid186來(lái)模擬分片式塔架的主體，采用多點(diǎn)約束剛性梁或剛性桿單元mpc184來(lái)模擬分片式塔架的塔底中心加載點(diǎn)到塔頂縱向法蘭上端面的剛性載荷傳遞。

17、在一些實(shí)施例中，在步驟s10中，建立有限元模型還包括：對(duì)有限元模型進(jìn)行材料參數(shù)定義；材料參數(shù)定義包括：根據(jù)分片式塔架的壁厚確定屈服強(qiáng)度，根據(jù)分片式塔架的材料確定彈性模量。

18、在一些實(shí)施例中，在步驟s20中，在lba分析中，有限元模型的網(wǎng)格劃分為：將solid186的單元網(wǎng)格尺寸控制在50-80mm，在分片式塔架的筒壁厚度方向設(shè)置2-3層網(wǎng)格。

19、在一些實(shí)施例中，在步驟s30中，在mna分析中，有限元模型的網(wǎng)格劃分為：在分析對(duì)象所在區(qū)域內(nèi)，將solid186的單元網(wǎng)格尺寸控制在50-80mm，在分片式塔架的筒壁厚度方向設(shè)置2-3層網(wǎng)格；在其余區(qū)域內(nèi)，solid186的單元網(wǎng)格尺寸控制在100-200mm，在分片式塔架的筒壁厚度方向設(shè)置1-2層網(wǎng)格。

20、在一些實(shí)施例中，步驟s20中，在lba分析中，提取前10階的屈曲特征值及屈曲模態(tài)，若前10階皆沒(méi)有發(fā)生目標(biāo)分析處的屈曲失穩(wěn)，則采用第10階提取到的屈曲因子作為臨界屈曲因子；若前10階內(nèi)發(fā)生目標(biāo)分析處的屈曲失穩(wěn)，則提取該屈曲失穩(wěn)所對(duì)應(yīng)的最小屈曲特征值作為該目標(biāo)的臨界屈曲因子。

21、在一些實(shí)施例中，步驟s40中，利用臨界屈曲因子和塑性基準(zhǔn)抗力比進(jìn)行幾何缺陷修正屈曲計(jì)算，獲得設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子，包括：

22、根據(jù)如下公式確定屈曲縮減系數(shù)：

23、，當(dāng)(1)

24、，當(dāng)......................(2)

25、，當(dāng).....................................(3)

26、其中，為總體相對(duì)細(xì)長(zhǎng)比，為軸向壓縮極限相對(duì)細(xì)長(zhǎng)比，為塑性極限相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比，為彈性缺陷縮減系數(shù)，為屈曲相互作用中的塑性范圍系數(shù)，為屈曲相互作用指數(shù)；

27、上式中，總體相對(duì)細(xì)長(zhǎng)比由以下公式確定：

28、........................................(4)

29、特征屈曲抵抗因子由以下公式確定：

30、.........................................(5)

31、設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子由以下公式確定：

32、.........................................(6)

33、其中，為材料安全系數(shù)。

34、在一些實(shí)施例中，步驟s50中，根據(jù)設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子，判定分片式塔架是否滿足屈曲校核要求，包括：

35、采用lba/mna計(jì)算方法計(jì)算分片式塔架的屈曲強(qiáng)度，判定分片式塔架是否滿足屈曲校核要求的準(zhǔn)則為：

36、若，

37、則滿足屈曲校核要求。

38、本申請(qǐng)的技術(shù)方案，在分片式塔架屈曲計(jì)算方法中，針對(duì)分片式塔架建立有限元模型，對(duì)有限元模型進(jìn)行l(wèi)ba分析（線彈性分析）和mna分析（材料非線性分析），以靜力屈曲分析結(jié)果聯(lián)合塑性材料非線性屈曲分析結(jié)果的方式，全面應(yīng)對(duì)分片式塔架因縱向法蘭存在而導(dǎo)致的薄弱區(qū)域較多、屈曲行為多樣性增加的技術(shù)難題，最終利用兩次分析獲取的臨界屈曲因子和塑性基準(zhǔn)抗力比，進(jìn)行幾何缺陷修正屈曲計(jì)算，得到最終設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子，憑借該設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子來(lái)實(shí)現(xiàn)分片式塔架的屈曲強(qiáng)度校核，校核結(jié)果更加安全可靠。由此，可滿足分片式塔架對(duì)屈曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，從而發(fā)揮分片式塔架克服傳統(tǒng)大型塔筒生產(chǎn)過(guò)程中存在限高、限寬以及超重問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)分片式塔架的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種分片式塔架屈曲計(jì)算方法，所述分片式塔架具有與筒壁連接的縱向法蘭，其特征在于，該方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，在步驟s20和步驟s30中，在所述lba分析和所述mna分析中，需加載如下兩種工況：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，在步驟s20中，所述lba分析中加載的塔底載荷包括合力矩以及合力：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，在步驟s10中，針對(duì)所述分片式塔架建立有限元模型，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，在步驟s10中，建立有限元模型還包括：對(duì)所述有限元模型進(jìn)行材料參數(shù)定義；所述材料參數(shù)定義包括：根據(jù)所述分片式塔架的壁厚確定屈服強(qiáng)度，根據(jù)所述分片式塔架的材料確定彈性模量。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，在步驟s20中，在所述lba分析中，所述有限元模型的網(wǎng)格劃分為：將所述solid186的單元網(wǎng)格尺寸控制在50-80mm，在所述分片式塔架的筒壁厚度方向設(shè)置2-3層網(wǎng)格。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，在步驟s30中，在所述mna分析中，所述有限元模型的網(wǎng)格劃分為：在分析對(duì)象所在區(qū)域內(nèi)，將所述solid186的單元網(wǎng)格尺寸控制在50-80mm，在所述分片式塔架的筒壁厚度方向設(shè)置2-3層網(wǎng)格；在其余區(qū)域內(nèi)，所述solid186的單元網(wǎng)格尺寸控制在100-200mm，在所述分片式塔架的筒壁厚度方向設(shè)置1-2層網(wǎng)格。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，步驟s20中，在lba分析中，提取前10階的屈曲特征值及屈曲模態(tài)，若前10階皆沒(méi)有發(fā)生目標(biāo)分析處的屈曲失穩(wěn)，則采用第10階提取到的屈曲因子作為所述臨界屈曲因子；若前10階內(nèi)發(fā)生目標(biāo)分析處的屈曲失穩(wěn)，則提取該屈曲失穩(wěn)所對(duì)應(yīng)的最小屈曲特征值作為該目標(biāo)的所述臨界屈曲因子。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，步驟s40中，利用所述臨界屈曲因子和所述塑性基準(zhǔn)抗力比進(jìn)行幾何缺陷修正屈曲計(jì)算，獲得設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分片式塔架屈曲計(jì)算方法，其特征在于，步驟s50中，根據(jù)所述設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子，判定所述分片式塔架是否滿足屈曲校核要求，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及一種分片式塔架屈曲計(jì)算方法，包括針對(duì)分片式塔架建立有限元模型；對(duì)有限元模型進(jìn)行LBA分析，獲取分片式塔架的靜力屈曲分析結(jié)果，靜力屈曲分析結(jié)果包括：臨界屈曲因子；對(duì)有限元模型進(jìn)行MNA分析，獲取分片式塔架的塑性基準(zhǔn)抗力比；其中，在MNA分析中，向有限元模型加載的塔底極限載荷根據(jù)LBA分析獲取的臨界屈曲因子確定；利用臨界屈曲因子和塑性基準(zhǔn)抗力比進(jìn)行幾何缺陷修正屈曲計(jì)算，獲得設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子；根據(jù)設(shè)計(jì)屈曲抵抗因子，判定分片式塔架是否滿足屈曲校核要求，本申請(qǐng)應(yīng)用有限元建模方法，采用線彈性分析和材料非線性分析方法結(jié)合計(jì)算，可以保障屈曲校核結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

技術(shù)研發(fā)人員：李云龍,劉揚(yáng),閔燁,郝二通,張璟,黃佳,張坤鵬,閆中杰,杜建國(guó),陳東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)船舶集團(tuán)風(fēng)電發(fā)展有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19