[發明專利]一種風電機組塔架屈曲穩定性的預測方法及系統

在審

• 申請號: 202011257159.3
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112069588A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 趙娜;秦世耀;王瑞明;薛揚;付德義;賈海坤;王安慶;龔利策;李松迪
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

本發明提供了一種風電機組塔架屈曲穩定性的預測方法及系統，包括：基于塔架各截面的受力參數計算塔架各截面的屈曲余量；利用構建的塔架門有限元模型計算塔架門截面的折減系數；基于所述各截面的屈曲余量和所述塔架門截面的折減系數得到所述塔架門截面的屈曲余量；基于所述風電機組塔架各截面的屈曲余量和所述塔架門截面的屈曲余量確定風電機組塔架的穩定性。本發明采用工程算法與有限元相結合的方式，快速準確的計算塔架屈曲穩定性，既提高了計算的準確性，又縮短了計算時間提高了工作效率，可為各主機廠提供技術服務，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及風電機組領域，具體涉及一種風電機組塔架屈曲穩定性的預測方法及系統。

背景技術

現代大型風電機組塔架采用薄壁型圓柱結構，高度在100m左右，底部直徑在5m左右，壁厚不到直徑的1/100，屬于典型的細長薄壁結構。在實際應用中，風電機組塔架底部固定，頂部自由并且承受機艙和風輪的重力和風載，該結構形式容易發生失穩。隨著風電機組單機容量的不斷增大，重量和外形尺寸隨之增大，塔架的高度也在隨之增加，作用在塔架上的重力載荷和氣動載荷更加明顯。風電機組塔架的穩定與安全是風電機組安全運行的保障，因此對風電機組穩定性方面的研究一直受到廣泛關注。

在結構屈曲穩定性研究方面，經典的固體力學在柱殼屈曲方面形成了豐富的理論成果。20世紀初期，研究者們應用線性理論獲得了一些柱殼的理論成果，給出了著名的軸壓柱殼和外壓球殼失穩的臨界載荷公式。1934年，Donnell應用非線性大擾度理論，建立了非線性柱殼大擾度方程。風電機組塔架屬于細長的薄壁結構，頂部支撐著較大質量的機艙和風輪，屈曲是結構的主要破壞形式。Seung-Eock Kim等研究了圓柱殼在軸壓作用下的屈曲強度，應用數值分析法來估算屈曲強度，得到了屈曲強度會隨著殼直徑與厚度比的增加急速下降，隨著殼高度與直徑比的增加稍微下降的結論，這結論同樣適用于風電機組塔架。陳興華等分析了軸壓載荷下圓柱殼的屈曲，指出加筋板有助于提高柱殼的屈曲性能，但對風電機組塔架在風輪、機艙載荷和塔架自身重力作用下引起的屈曲問題沒有進行系統研究。

現有技術采用有限元屈曲分析，建立塔架模型，劃分網格，假定塔架底部與基礎固接，在塔架頂部設置載荷施加點，然后進行線性屈曲分析。而線性屈曲分析以小位移線性理論假定為基礎，在結構受到載荷作用過程中忽略結構形狀的變化，可求解在不同載荷模式下的線性屈曲載荷及對應的失穩模式，線性屈曲問題可轉化為如下所示的特征值問題：

([K₀]+λ_i[K_σ])v_i =0

式中[K₀]為初始剛度矩陣，[K_σ]為應力剛度矩陣，λ_i為第i個特征值，即屈曲載荷與實際載荷的比值，v_i為第i個特征向量。

現有技術采用整體有限元方法，需要建立塔架的完整有限元模型，模型規模較大，對復雜的載荷條件和邊界條件處理存在局限性，計算緩慢。并且塔架設計是個反復修改迭代的過程，塔架外形設計上每改動一次就需要重新建立有限元模型，工作量巨大。同時目前風電機組處于快遞發展階段，技術人員能夠對新的設計進行快速響應尤為重量，現有技術不適用于工程技術應用。

發明內容