塔架结构（通用7篇）
塔架结构 篇1
1 工程概况
某市体育场的外围广场内设置两个景观装饰塔架,塔架中间平面投影为正三角形。结构形式为拉线式塔桅结构,中间为格构塔身。沿高度斜向布置了三根钢索,平面投影为绕中心每120°一根钢拉索。塔架高度为66.700m,三个方向的钢索在46.000m处拉住塔架(钢索的水平投影长度为32.500m),以保证结构的直立和稳定。为建筑效果采用相贯节点。塔架正立面图见图1。
2 内力分析
塔桅结构属于空间静定结构,荷载作用下,结构受力很复杂。塔身本身是具有相当刚度的连续弹性体,是一个下端固定,上部悬臂的空间连续桁架。钢拉索是上端连接于杆身,下端固定在地面上的斜向拉索。拉索作为中间塔架的弹性支座,在水平方向随着作用力的变化而发生非线性位移[1]。
塔架的刚度和拉索提供的预应力刚度构成了结构的整体刚度。设计中应进行初始状态和工作状态的分析和计算。以保证结构始终处于平衡和稳定,结构能够正常工作。初始状态是指结构在预应力作用下的自平衡状态。工作状态是指结构在各种组合外荷载的作用下的平衡状态。
初始状态的分析实质上是进行拉索预应力的布置和拉索预应力大小的确定。预应力的设计应使预应力分布到整个结构中,从而使预应力对结构提供有效的刚度。应保证拉索在结构工作过程始终处于受拉状态,防止拉索受压退出工作使结构变成几何可变体系,导致结构失稳[2]。
初始状态的预应力分布的分析是结构承载性能分析的基础。在此阶段假定的杆件截面、预应力分布能否满足工作状态下结构强度、稳定和变形的要求,还有待工作状态下各种荷载工况组合作用计算结果的验证。这是一个反复调整的过程,直到调整合适为止。
拉索在低应力状态下可以认为是线弹性材料。因此,应控制拉索在不利荷载作用下索内的应力水平,使其不致于过高。另外,考虑到拉索的徐变,松弛及施工因素,也应使拉索内的预应力水平在不利荷载下不致太低。所以在初始状态下,拉索内的预应力的大小应控制在合适的范围内。
3 有限元分析模型
结构的非线形问题包括状态非线形,材料非线形和几何非线形。如果结构经受大变形,它变化的几何形状,可能会引起结构的非线形响应。这就是结构的几何非线形问题。
拉索具有大位移、低应变的变形特征。由于索结构工作中处于弹性阶段,应力与应变的关系仍可认为遵从虎克定律。拉索变形特征一力与位移的关系是非线性,其中非线性项的数值不像小变形问题那样相对线性项可以略去。因此在有限元分析时,可以不考虑结构材料的非线性,仅考虑几何非线性的影响。斜拉索由于其自重垂度的影响,呈现很强的几何非线性。其平衡方程须建立在变形后的几何位置上。斜拉索的这种性质,也使与之组合的结构反映出不可忽视的非线性问题。目前拉索有限元分析法,主要有四种方法模拟索:
1)等效弹性模量法
每一根索用一个杆单元模拟,采用修正斜拉索弹性模量的方法来描述索的非线性行为。这就是所谓的“等效弹性模量法”由Ernst在1965年首先提出。具体公式如下:
式中,Eeq为等效弹性模量;E为索的弹性模量;L为索的水平投影长度;W为索的单位长度重量;A为索的横截面面积;T为索的拉力。
可见修正的弹性模量是索端力的函数,导致了索端力与索端位移呈非线性。
2)多链杆单元法
采用多个杆单元来模拟索曲线,通过多个杆单元节点来定义拉索中间点的运动,从而模拟索的非线性行为。计算动力问题时可以得到拉索本身的振动模态。本方法的缺点是引入许多附加自由度,计算中许多情况下无法收敛。一般情况下应慎用。
3)多节点曲线单元
有多种单元模型如:抛物线索单元、2节点曲线单元、3节点等参数索单元等。它们共同点是引入高次函数作为单元的插值函数,近似考虑索垂度的影响。但这种单元的列式和计算随着节点数的增加而趋复杂,且不易得出刚度的显示表达式,也不能精确模拟悬链线特性。
4)悬链线索单元法。
将索模拟成基于弹性悬链精确解的索单元。这种方法根据弹性索的精确解析式导出索元的切线刚度矩阵,并得到索形和索端力,不存在任何近似成份,且能适应各种情况,因此是一个精度高、通用性强的方法。
显然第四种悬链线单元法的模型最为精确。其它三种模型都有不同程度的简化和缺点。但目前现有的分析程序单元模型大多还没有悬链线索单元模型。本工程采用只拉杆单元模拟索,采用修正斜拉索弹性模量的方法来描述索的非线性行为。分析比较还是可以满足工程精度要求[3]。
本工程的有限元分析采用ANSYS中运用几何非线性问题分析的杆单元。分析中采用LINK8单元模拟结构中的桁架杆件,用LINK10单元模拟其中斜向拉索。
LINK8单元只承受轴向力,不承受弯距和剪力,且具有塑性蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变单元死活等功能。LINK10单元具有双线性刚度矩阵特性,使其成为一个轴向仅受拉或仅受压的单元。使用只承受拉力选项时,如果单元受压,刚度就消失,以此模拟拉索松弛。本单元不承受弯距和剪力,只能轴向承受拉力和压力,具有应力刚化、大变形、大应变功能[4]。
4 结构计算
作用在结构上的荷载按国标《建筑结构荷载规范》和《高耸结构设计规范》的规定取值。其中水平风荷载按《建筑结构荷载规范》表7.3.1第34项要求分别按三个方向作用(设为三种工况,见图1)进行计算[5]。
设计中分以下四种工况,按标准值组合进行计算:
①恒+索内初始预应力,内力分布见图2。
②恒+索内初始预应力+风1,内力分布见图3。③恒+索内初始预应力+风2,内力分布见图4。
④恒+索内初始预应力+风3,内力分布见图5。
设计应满足的三个要素:
①拉索内力控制在(5%～3 0%)断绳力范围内。
本工程拉索的的内力最大值270kN,最小值90kN,初始态下拉索内力值为170kN。拉索的断绳力为940kN。
②按塔架的水平位移满足《高耸结构设计规范》的变形要求。
本工程塔架顶点水平位移最大值为183mm,为塔架高度的1/364,满足规范要求。
③杆件满足强度稳定计算要求。
本工程格构塔架主管的内力最大值334kN。经验算杆件满足强度稳定计算要求。
5 模态分析
为了确定结构的固有频率和振型,又进行了模态分析,结构的前10个频率见表1。
结构前5个振型见图6。
可见第1振型、第2振型为平动,第3振型为空间扭转,前5个频率较为集中,显示结构变形以前5个振型为主。
6 结论
计算结果表明,采用有限元分析程序分析预应力索杆体系计算方便快捷,计算结果准确可靠,符合工程实际情况。
摘要：利用有限元软件ANSYS，对拉线式塔桅结构初始预应力状态和工作状态下的结构受力性能进行了深入分析。分析结果表明，利用ANSYS软件可以方便解决有预应力的结构的非线性问题。
关键词：塔架结构,拉索,非线性,有限元分析
参考文献
[1]GB 135-90高耸结构设计规范[S]．
[2]钱若军，扬联萍，胥传熹．空间格构结构设计[M]．南京：东南大学出版社，2007．
[3]夏桂云，李传习，张建仁．斜拉索非线性分析[J]．长沙交通学院学报2001(3)：47-50．．
[4]博嘉科技．有限元分析软件-ANSYS融会与贯通[M]．北京：中国水利水电出版社，2002．
[5]GB 50001-2001建筑结构荷载规范[S]．
输电塔架结构动力特性分析 篇2
高压输电塔是输电线路中的主要构成部分, 一般为较高的钢架塔, 属高耸、柔性结构[1]。输电塔架作为电力输送的支柱, 它的安全性和信赖性受到现在社会的日益关注, 近年来以大中城市为中心的电力需求急剧增加, 而水力、火力、和原子能等大规模的发电设备都远离城市, 特别在我国“北电南送”、“西电东送”的格局下, 高电压、大容量输电线建设成为社会发展的必然[2]。在动力输电线建设中, 有些地段交通运输非常困难, 同时电力部门也减少架空输电铁塔的建设费用, 因此铁塔构件应该尽可能轻, 以便运输和安装, 并不断优化结构尽量减少铁塔的重量, 如细长型铁塔和三角形铁塔, 但是这种趋势使得铁塔的结构变得比较柔, 对风力作用变得更加敏感, 易于发生大的静力和动力响应, 从而影响输电线路的安全运行[3]。因此, 开展高压输电塔结构动力特性分析研究具有重要的理论意义和应用价值。
2 计算模型
2.1 研究对象
本文研究对象采用如图1所示的500k V高压酒杯型直线塔架为模型进行计算分析。尺寸见图1所示模型, 计算该模型的前6阶振型和频率。
2.2 单元选用
在对高压输电塔架进行动力特性分析时, 塔架中弦杆和主腹杆采用2节点二次梁单元来模拟, 该单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构, 单元基于Timoshenko梁结构理论, 并考虑了剪切变形的影响。每个节点有六个自由度, 该个单元非常适合线性、大角度转动问题[4]。次辅杆采用2节杆单元, 该单元每个节点具有三个自由度, 单元不承受弯矩, 单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。
2.3 质量增大系数
自振周期或频率是结构动力性能的重要标志, 自振周期主要与结构的质量和刚度有关。刚度由杆件的类型及特性决定, 而质量由杆件单元的截面尺寸、长度和材料的密度决定, 实际塔架结构中一些辅助的杆件、节点板和螺栓的质量也应该予以考虑, 所以应使受力杆件乘以一个质量增大系数, 即在定义材料属性时将材料密度参数乘以一个增大系数[5]。
2.4 计算模型
在建立高压输电塔架结构有限元模型时, 模型中弦杆和主腹杆采用空间梁单元, 次辅杆采用空间杆单元, 以每一根杆件作为一个单元, 质量增大系数取1.2。输电塔架有限元模型如图2所示。
3 动力特性分析
对高压输电塔架进行动力特性分析时, 得到了结构的前6阶振型和频率。输电塔架各阶振型如图3至图8所示。
由于阻尼对结构的动力特性影响很小, 因此本文的动力特性分析中不考虑这些因素的影响。高压输电塔架各阶振型所对应的频率及最大相对位移如表1所示。
从图3至图8及表1可以看出, 高压输电塔架结构的前3阶频率差值很小, 输电塔的第一、二阶振型为平动振型, 第三阶振型为扭转振型, 第四阶振型为二阶平动振型, 第五阶振型为局部振型, 第六阶振型为二阶平动加局部振型。输电塔架结构的第一、二阶振型均为平动振型, 并以上部振型为主, 表明结构下部的整体刚度较大。
4 结论
综上所述, 通过对高压输电塔架的动力特性分析, 得到以下结论:
4.1 酒杯型塔架是比较复杂的输电塔型, 振型中不仅有横向、纵向振型, 局部还有扭转及组合空间振型, 说明该塔架的动力特性较为复杂。
4.2 该结构的较高振型中以局部振型为主,
特别是结构的局部振型表现较为突出, 这与结构下部局部刚度存在较大的增强情况相符。
4.3 该输电塔架第一、二阶模型以平动为主, 说明此500k V酒杯型输电塔结构在正常运行过程中振动模态以平动为主。
参考文献
[1]王肇民.高耸结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1995.
[2]邓洪洲, 陈晓明, 屠海明.江阴长江大跨越输电塔模型试验研究[J].建筑结构学报, 2001, 28 (6) :12-14.
[3]山西省电力公司.输电线路塔型手册[M].北京:中国电力出版社, 2009.
[4]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社, 2003
大型输电塔架结构稳定性分析 篇3
输电塔架结构是电网生命线工程的关键性建筑物。该结构是采用热轧等肢角钢, 经过焊接、螺栓连接而成的空间薄壁杆系结构, 在裹冰荷载, 风荷载及地震作用下, 由于开口薄壁角钢构件的抗弯、扭性能差, 使其局部构件发生失稳, 最终导致整体结构破坏[1]。如1992年和1993年我国500kv高压线路连续两次发生倒塌, 特别是葛双回路一次串倒7座基塔等。2008年南方冰雪灾害, 1月25日, 湖南郴州境内输电塔倒塌, 阻断京广铁路运输, 随后, 承担着500多万千瓦“西电东送”任务的中国南方电网贵州电网, 被巨大的冰灾支解为几片孤网。1月26日, 3名电力职工在长沙电厂至沙坪变电站的500千伏线路电塔上人工除冰时, 因线路覆冰太厚, 铁塔不堪重负, 从50余米高空坠地, 3名电力职工因公殉职。这些事故在经济上造成巨大损失, 在社会上引起强烈反响。输电塔架作为电网工程的关键性建筑物, 开展基于薄壁构件失稳的塔架结构破坏机理及防治措施研究, 提高塔架结构安全设计等级, 具有重要的理论价值和现实意义[2]。
二、计算模型
(一) 研究对象。本文研究对象采用如图2所示的500kV高压酒杯型直线塔架为模型进行计算分析[3]。计算该模型的前6阶屈曲模态和临界荷载。
(二) 单元选用。在对高压输电塔架进行屈曲分析时, 塔架中弦杆和主腹杆采用2节点二次梁单元来模拟, 该单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构, 单元基于Timoshenko梁结构理论, 并考虑了剪切变形的影响。每个节点有六个自由度, 该个单元非常适合线性、大角度转动问题[4]。次辅杆采用2节杆单元, 该单元每个节点具有三个自由度, 单元不承受弯矩, 单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。
(三) 计算模型。在建立高压输电塔架结构有限元模型时, 模型中弦杆和主腹杆采用空间梁单元, 次辅杆采用空间杆单元, 以每一根杆件作为一个单元。输电塔架有限元模型如图3所示。
三、屈曲分析
对高压输电塔架进行屈曲分析时, 当恒载为一定值, 仅仅求解活载增大到何值时结构失稳, 这种情况需要不断改变活载的大小, 通过迭代求解, 使得屈曲荷载系数等于1.0, 此时的荷载 (恒载+增大后的活载) 即为结构屈曲时的荷载, 而增大后的活载与原活载之比称为活载的屈曲系数[5]。通过对高压输电塔架进行屈曲分析, 得到了结构的前6阶屈曲模态和临界荷载。输电塔架各阶屈曲模态如图4至图9所示。
依次输入活载, 然后调整, 直至屈曲荷载系数为1.0为止。因为屈曲荷载系数为1.0, 就不会对所施加的荷载进行缩放, 也就保证了恒载不被缩放, 所以此时临界荷载即所施加的活载乘以屈曲荷载系数, 也就是施加活载本身。分析得到了前6阶屈曲模态及相应的临界荷载, 高压输电塔架各阶屈曲模态所对应的临界荷载如表1所示。
工程设计要求中, 在各种屈曲模态中最重要的为第一阶屈曲模态。从图4至图9及表1可以看出, 输电塔架结构发生屈曲时的第一阶模态为平动, 此时临界荷载为69.60kN。第二阶屈曲模态临界荷载为86.89kN, 第三阶屈曲模态临界荷载为90.90kN。第四阶屈曲模态临界荷载为92.60kN。第五阶屈曲模态临界荷载为95.86kN, 第六阶屈曲模态临界荷载为98.90kN。
四、结语
综上所述, 通过对高压输电塔架的屈曲分析, 研究了高压输电塔架的各阶屈曲模态及相应的临界荷载。研究结果表明, 该输电塔架结构设计合理, 能够满足强度、刚度和稳定性设计要求, 安全可靠。
摘要：本文采用有限单元法建立了大型输电塔架的空间三维模型, 计算分析了该输电塔架结构的前6阶屈曲模态和临界荷载, 研究了各阶屈曲模态的特点。研究成果对大型输电塔架结构稳定性设计具有一定的理论意义和应用价值。
关键词：输电塔架,稳定性分析,有限元法,失稳模态,临界荷载
参考文献
[1]邓洪洲, 王肇民.输电铁塔结构系统极限承载力及可靠性研究[J].电力建设, 2000, 26 (2) :20~22
[2]李宏男, 白海峰.高压输电塔线体系抗灾研究的现状与发展趋势[J].土木工程学报, 2007, 40 (2) :39~46
[3]山西省电力公司.输电线路塔型手册[M].北京:中国电力出版社, 2009
[4]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社, 1998
塔架结构 篇4
风能是一种可再生的清洁能源,是各国新能源开发和利用的战略选择,近年来对它的开发利用发展迅速。塔架作为风电机组的支撑结构,其稳定性与可靠性直接影响整个机组的运行安全,塔架成本昂贵,制造成本占整机成本的15%～20%。因此,近年来越来越多的学者对塔架设计优化进行了研究:Negm等[1]以横截面面积、壁厚和高度为变量,最小塔架质量、最大刚度和最大自然频率为目标进行了塔架优化设计;Horvath等[2]以塔架等应力分布为目标,采用有限元方法(FEM)和计算流体力学(CFD)方法探讨了塔架高度和横截面参数取值范围;Uys等[3]同时考虑材料成本与制造成本,以综合成本最小为目标,获得了塔架壁厚、加强筋数目和直径等的优化值;Clifton-smith等[4]运用有限元法研究了塔架的屈曲稳定性,对屈曲应力计算公式进行了修正;Hassan等[5]以塔架固有频率最大为目标,塔架质量为约束,对塔架的壁厚变化方式进行了优化设计;Yildirim等[6]以塔架质量最小为目标,采用遗传算法进行了优化求解;赵吉文等[7,8]以固有频率最大为目标,采用支持向量机建立了塔架结构参数与固有频率之间的快速计算模型,引入粒子群优化、混沌搜索等方法进行优化求解。尽管如此,针对风电机组塔架的优化设计仍有许多问题需要解决,如获取塔架直径、壁厚等结构参数与应力、固有频率及寿命等的关联特性,寻求合理的替代模型解决优化求解时需迭代计算带来的耗时长、效率低等问题。
本文采用一种壁厚分段式线性变化塔架结构模型,借助有限元数值仿真分析结构参数与应力、固有频率间的关联特性,采用支持向量机构建结构参数与应力、固有频率间的快速计算模型。
1 塔架几何模型
大型风电机组塔架大多采用按一定锥度变化的变截面圆筒形结构。为方便运输,通常将塔架分为几节,安装时用法兰将其连接成整体。考虑到塔架应力分布与圆筒半径、壁厚等为非线性关系,为尽可能地改善塔架应力分布,本文采用分段式线性变化塔架结构,分为三节,如图1所示。塔架主要结构参数包括底端直径、顶端直径、塔架总高度、各节塔架高度及厚度。由于风电机组在设计时一般以轮毂高度处的风速为设计依据,而塔架总高度主要由风电机组容量、风场风速和所处地理位置等决定,故进行塔架设计优化时该值视为常量;同时考虑到塔架顶端与机舱配合,顶端直径值也可视为常量。
2 风电机组载荷分析
对风电机组进行载荷分析,获得准确的塔架载荷是进行塔架受力分析、优化设计的基础。风电机组承受的载荷特别是气动载荷非常复杂,由于来流的时变性,作用在风轮上的气动载荷在风电机组运行过程中是时刻变化的,是影响风电机组塔架载荷变化的主要因素。为便于分析,本文采用风电机组坐标系如图2所示,叶片上某一截面处的载荷分解为坐标系xeyeze中沿xe轴方向分力Fxe和绕xe轴的力矩Mxe(挥舞力矩),沿ye轴方向分力Fye和绕ye轴的力矩Mye(摆振力矩),沿ze轴方向分力Fze和绕ze轴的力矩Mze(变桨距力矩)。
图2中,γ为风轮锥角,τ为风能仰角。坐标系xgygzg为惯性坐标系,固定于塔架底部;坐标系xnynzn固定在机舱上,其yn轴在风电机组主轴轴线上;坐标系xsyszs固定在主轴上,与主轴同步旋转,转速为n;xpypzp为假定无风能仰角时,固定于旋转主轴上的坐标系;坐标系xeyeze固定在旋转的叶片1上,ze轴沿叶片变桨轴线方向,ye轴垂直于ze轴指向塔架(上风向风电机组),xe轴垂直于叶片变桨轴线和主轴轴线。
目前,进行风电机组气动载荷分析有多种方法,如叶素—动量(BEM)理论、基于动态入流理论的GDW方法、CFD等。在实际工程中,由于BEM理论简便可信,故是常用的方法。以下仅对基于BEM理论的气动载荷计算方法进行简约介绍。在BEM理论中,取半径r处长度为dr的叶素为对象,气流速度与空气动力分量如图3所示[9,10]。
图3中,A为前缘点,C为压力中心,B为后缘点。v0为轴向风速,v1为气流相对于叶素的速度;ω为风轮角频率;a为轴向诱导速度系数,a′为切向诱导速度系数;α为攻角,β为节距角,φ为来流角度;dR为叶素上的气动力,dL为dR的升力分量,dD为dR的阻力分量,dQ为气动力切向分量(与旋转面相切),dN为气动力轴向分量;ve-Tip和ve-Top分别是塔架振动引起的x方向和y方向速度,ve-Bip和ve-Bop分别是叶片振动引起的x方向和y方向速度。对于叶片上不同半径r处的叶素而言,ve-Tip和ve-Top不变,而ve-Bip和ve-Bop随当前叶素半径r的变化而变化。
作用在元素上的升力和阻力分别为
式中,c为半径r处的叶片弦长;Cl、Cd分别为升力系数和阻力系数;ρ为空气密度。
dL和dD的合力dR可以分解为轴向力dN和切向力dQ:
产生的摆振方向弯矩为
产生的挥舞方向弯矩为
式中,Ct、Cn分别为切向力系数和法向力系数。
设v为风轮中心高度h0处的来流风速,如果风速分布服从赫尔曼Holman规律[11],则有
f(v,h0,r,ψ)=v[(h0+rsinψ)/h0]r′ (7)
式中,r′为风速廓线指数,与地面粗糙度有关;ψ为叶片方位角。
沿叶片方向将整个积分空间[0,R]分成若干个子空间[ri,ri+1],i=1,2,…,N,叶片产生的摆振方向总弯矩可写为
式中,ωBx、ωBy分别为x、y方向叶片的振动角速度。
同样,叶片产生的挥舞方向总弯矩可以写为
叶片摆振方向剪力为
叶片挥舞方向剪力为
同一空间向量,在不同坐标系中坐标值不同,通过变换矩阵可以实现相互转换,变换矩阵的获取可采用方向余弦或欧拉方法。这样就可以把风轮上的气动载荷转化至塔架上。
除了风轮上气动载荷以外,塔架自身上风载和风电机组运行载荷(变桨距)、惯性载荷等对塔架也有影响,本文对此未做介绍,相关理论可参考有关文献。在具体确定设计载荷时,《风力发电机组规范》(中国船级社,2008)规定以具体的装配、吊装、维修、运行状态或设计工况同外部条件的组合为依据,应考虑到以合理概率出现的相关载荷,如极端外部条件与故障工况相关,两者应组合为一种载荷情况。对于某2MW风电机组,作用在塔架基础上的极限载荷按表1给定(由相关厂家提供)。
3 结构参数与应力、固有频率关联特性分析
塔架结构参数对应力、固有频率、屈曲稳定性、疲劳寿命和动态响应特性等都有直接影响,获取结构参数与这些属性的关联特性是塔架优化设计的前提。一般来说,塔架在极端服役环境下发生破坏的可能性较大,因此本文选取塔架结构参数与应力、固有频率间的关系进行分析,不考虑其疲劳寿命和动态响应的影响。
3.1 结构参数与应力关联特性
在有限元分析软件ANSYS中采用壳单元进行塔架建模,考虑到叶片、轮毂和机舱等部件质量影响塔架固有频率,将叶片、轮毂和机舱简化为一集中质量点,即mass21单元节点,用mpc184无质量刚性梁单元连接mass21单元与塔架顶端节点,材料属性的弹性模量定义为205GPa,泊松比为0.3,材料密度为7.85×103kg/m3,塔架壁厚值大小通过设置壳单元实常数实现,塔架底部节点全约束作为边界条件。塔架基础上的载荷是塔架顶部存在的推力产生的,塔架顶部推力大小可由基础弯矩除以塔架高度得到,在mass21节点上施加等效载荷后可求解塔架的最大应力。考虑设计的具体情况,本文选取上段壁厚δ1变化范围为12～18mm,中段壁厚δ2变化范围为18～26mm,下段壁厚δ3变化范围为26～45mm,下段塔架长度H1变化范围为15～20m,中段塔架长度H2变化范围为20～35m,塔架底端直径D变化范围为3.8～4.4m,由于不同结构参数的数量级不同,为便于比较各结构参数与塔架应力的关系,对结构参数进行归一化处理,得到如图4所示的塔架结构参数与最大应力的关系曲线。为观察不同塔架结构参数组合下最大应力点位置,选取4组结构参数求解其最大应力,最大应力及其节点位置如表2所示。
从图4可知,不同结构参数对塔架的影响程度不同,在图4a中,随着δ1增大,最大应力值显著减小,但是当δ1增加到一定程度以后,对应力的影响逐渐放缓;δ2和δ3的变化对最大应力值没有显著影响,总体趋势比较平缓。从图4b可以看出,随着塔架单段长度、塔架底端直径增大,最大应力值总体趋势均是逐渐减小。在表2中,4组不同塔架结构参数对应的最大应力值分别为153MPa、195MPa、177MPa和209MPa,分别位于距塔架底端48m、38m、18.5m和6m处。不难看出,塔架结构参数组合不但影响塔架的最大应力,而且影响了最大应力点的位置。
3.2 结构参数与固有频率关联特性
风电机组在运行过程中,叶轮、塔架等相互激励,有可能发生共振引发机组倒塌事故,因此在设计时,应充分考虑各子系统固有频率,避免共振的发生。接近风轮旋转频率的塔架一阶固有频率最易导致共振,对其采用有限元模态分析法进行求解。需要指出的是,在进行模态分析时,叶片、轮毂和机舱等部件质量不能忽略,采用集中质量的方式简化,建模时在集中质量重心处设置一个质量节点单元mass21,用MPC184无质量刚性梁单元连接质点单元与塔顶节点,以底部节点全约束为边界条件求解塔架固有频率。为便于比较各结构参数与塔架固有频率的关系,对结构参数进行归一化处理。图5所示为结构参数与塔架一阶固有频率的关系曲线,表3所示为4组结构参数不同时塔架的固有频率。
从图5可知,随着各结构参数的增大,固有频率均呈增大趋势;不同结构参数对塔架固有频率的影响程度不同,在所分析的结构参数中上段壁厚δ1和下段直径D的变化对塔架的固有频率影响较大,下段壁厚δ3和中段塔架长度H2影响较小。从表3中可以看出,不同结构参数组合下,塔架固有频率值差异比较明显,表中4组不同结构参数下的塔架一阶固有频率变化范围为0.372 09～0.532 96Hz,而风电机组运行时风轮最大旋转频率为0.375Hz左右,第3组、4组参数下塔架易发生共振。
4 结构参数与应力、固有频率快速计算模型
塔架结构参数与应力、固有频率之间是一种复杂非线性关系,近似的数学表达式计算误差大,应该采用有限元计算结果。由于在优化设计时需要反复多次计算,并且优化算法存在不确定性,一次优化结果一般不能作为最终结果,需要多次优化后进行结果比较确定,直接采用有限元分析软件计算效率较低,寻求合理的替代模型可以有效解决这一问题。在各种人工智能方法中,支持向量机在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多特有的优势,并能推广到函数拟合等其他机器学习问题中。本文采用支持向量机建模方法建立塔架结构参数与应力、固有频率间的快速计算替代模型。
4.1 样本数据获取
为了构建基于支持向量机的结构参数与应力、固有频率的快速计算模型,首先需要获得足够的样本数据。采用正交试验设计与随机组合方法相结合的混合试验设计方法确定参数组合,通过有限元数值仿真试验获得样本值。根据塔架设计中可变的结构参数确定正交试验的6个因素,即因素A(塔架上段壁厚δ1)、因素B(塔架中段壁厚δ2)、因素C(塔架下段壁厚δ3)、因素D(塔架下段长度H1)、因素E(塔架中段长度H2)、因素F(塔架底端直径D);根据塔架结构参数与最大应力、固有频率的变化关系确定每个因素的5个水平值。试验因素水平表见表4,按照正交试验方法需要进行L25(56)=25组试验。除正交试验获得的25个样本数据外,再从整个排列组合156 25种试验方案中随机选取200组进行试验,共获得225个样本数据。
4.2 快速计算模型的构建
样本空间为{(x1,z1),(x2,z2),…,(x225,z225)},其中,xi=(δ1i,δ2i,δ3i,H1i,H2i,Di),为塔架结构参数;zi=(σi,fi),为塔架应力和固有频率;i=1,2,…,225。支持向量机中采用的方法是将输入向量xi通过某种非线性关系映射到高维空间,则在高维空间回归函数为
zi=wTφ(xi)+b (12)
式中,φ为一个从输入空间到高维特征空间的映射函数;b为偏差值;w为权向量。
式(12)即为待求的塔架结构参数与应力或固有频率替代模型。设拟合精度为ε,求解最佳回归函数转换为固定间隔下寻找最小的‖w‖问题。采用ε-SVR型支持向量,考虑样本的容错性,给拟合精度ε这一硬性值加一松弛变量ξ,则有[12]:
式中,C为惩罚因子;ξi、ξ*i为松弛变量。
使用Lagrange乘子法解决上述问题,得到原问题的对偶问题为
式中,Q=K(xi,xj)=φ(xi)Tφ(xj);ai、a*i为拉格朗日乘子。
对偶问题完全根据样本数据表达,由样本数据求得最优的Lagrange乘子后即可得到问题的最优解。则式(12)可写为
将通过数值试验获得的225组样本数据分为两部分,200组用于训练,其余用于测试。支持向量机类型选用ε-SVR类型,核函数设置类型选用径向基核函数(RBF)。在MATLAB中分别用网格搜索法、粒子群方法和遗传算法函数求解核函数参数,选取平均平方误差(MSE)最小、平方相关系数最接近1的核参数,最终应力模型中取核参数c=68.3341,g=0.083 923,固有频率模型中取核参数c=24.5844,g=0.003 814 7。
基于上述方法得到的应力回归模型由179个支持向量组成,偏差值为-0.5034,固有频率回归模型由153个支持向量组成,偏差值为0.0192。表5给出了5组模型输出与有限元仿真结果,可以看出构建的模型最大应力输出值与有限元仿真结果误差为-0.004%～4.7%,一阶固有频率输出值与有限元仿真结果误差为-0.005%～0.3%。结果表明,构建的塔架结构参数与最大应力、一阶固有频率的替代模型可用于工程实际。
5 塔架结构参数优化
5.1 参数优化数学模型
选取塔架的结构参数为设计变量为
x=(δ1,δ2,δ3,H1,H2,D) (16)
以塔架总质量最小为目标,即
式中,mtower为塔架总质量,mi为每段塔架的质量(可由塔架结构参数求得)。
约束条件包括:
(1)强度约束。为保证塔架的安全,外载荷作用下的塔架最大应力σ应小于材料的屈服应力,即:
σ nst<σb (18)
式中,nst为安全系数;σ为材料屈服应力。
(2)固有频率约束。风电机组运行时,如果风轮旋转频率或叶片通过频率接近塔架的固有频率,则会出现共振现象,引发严重的安全问题。某型风电机组运行时风轮的最大转速为22.5r/min,风轮旋转频率和叶片通过频率分别为0.375Hz和1.125Hz,根据GB18451.1-2001规定,塔架工作状态下的弯曲固有频率f0,n和激振频率fR、fR,m之间应有适当的间隔,按下述公式计算:
式中,fR为正常运行范围内风轮的最大旋转频率;f0,1为塔架(整机状态下)的一阶固有频率;fR,m为m个风轮叶片的通过频率;f0,n为塔架(整机状态下)的n阶固有频率。
由式(19)得到塔架一阶固有频率约束为
0.394Hz≤f0,1≤1.071Hz (20)
(3)边界约束。根据工程具体情况,塔架的结构参数在一定范围内取值,这里选取变量的范围为
本文采用遗传算法进行参数优化求解,遗传算法是一种基于生物遗传和进化机制的自适应概率优化算法,具有很好的全局寻优能力。对于一些非线性、多模型、多目标的函数优化问题用其他优化方法较难求解,而遗传算法可以方便地得到较好的结果。种群中的个体数目设为30,采用浮点编码方式,交叉概率为0.95,变异概率为0.08,最大迭代次数为250次。
5.2 优化结果
基于上述方法,得到塔架结构优化参数如表6所示,同时给出了优化前后塔架最大应力和固有频率的有限元数值计算结果,优化后的塔架总质量为100.4t,相比优化前的104t,用钢量减少3.5%(3.6t),一阶塔架固有频率从0.4788Hz变为0.4793Hz,最大应力从124MPa降为120MPa。图6给出了优化前后塔架应力分布曲线,优化后应力变化更平缓,塔架的安全性有所提高。
6 结论
(1)通过试验设计和有限元数值仿真分析了各参数变化对应力、固有频率的影响趋势,获得了塔架结构参数与应力、固有频率的关联特性,在塔架设计时可为各结构参数的分布提供一定的参考。
(2)采用支持向量机理论分别构建了塔架结构参数与应力、塔架结构参数与固有频率间的快速计算模型,计算结果显示,替代模型输出结果能与有限元仿真结果较好吻合,表明本文构建的快速模型是可行的。
(3)构建了某2MW风电机组以塔架质量最小为目标的塔架结构参数优化设计模型,采用遗传算法进行优化求解,优化后的塔架质量减少3.6t,减少用钢量3.5%,为风电机组塔架实际工程设计优化提供了一种参考方法。
摘要：以大型风电机组塔架为对象,开展了极端服役环境下的塔架结构参数优化设计研究。采用壁厚分段式线性变化结构对塔架进行描述,介绍了基于BEM理论的风电机组气动载荷分析方法,运用有限元仿真分析塔架结构参数与极限载荷作用下的应力以及结构参数与固有频率的关联特性,采用支持向量机(SVM)方法分别构建了结构参数与应力、固有频率的快速计算模型。以质量最小为目标,强度、固有频率和边界条件为约束对塔架结构参数进行了设计优化,引入遗传算法(GA)进行优化求解。对某2MW风电机组塔架进行实例设计研究,结果表明优化后的塔架质量减小3.5%。
关键词：风电机组塔架,有限元分析,结构参数优化,支持向量机,遗传算法
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塔架结构 篇5
过去对钢塔架抗风来设计甚至还不如对抗震设计那样受重视, 主要是对于高度不大的普通钢架而言, 风的作用对结构设计常常不是控制性因素。然而, 随着社会的不断进步, 科学技术的不断发展, 钢塔架变得越来越高, 材料及形式日趋多样化、新颖化, 结构柔性增大, 阻尼减小。因此, 风荷载所引起的结构过大的反应以至于无法满足正常使用要求以及结构在频繁往复的风致振动引起的疲劳损伤问题问题日益严重, 抗风设计显得尤为重要。
1 钢结构塔架风荷载的研究方法
风荷载是钢塔架结构的主要荷载。由于风压空间的分布和随时间的变化, 风对高耸结构的作用非常复杂, 钢塔架结构受脉动风作用除了产生顺风向振动之外, 在横风向也可能产生振动, 其原因也包括横风向风紊流和构件尾流的综合作用。如果总风力作用点不语结构弹性中心重合, 尤其是结构水平面尺寸较大时, 则还会产生空气动力扭矩, 结构在此扭矩的作用下将产生扭转效应。另外, 钢塔结构由于其大柔度、小质量和低阻尼的特性极易引起大幅振动[1]。
结构的抗风分析一般可以在频域范围和时域范围两方面进行。目前工程上的抗风分析大多在频域范围内进行, 它可以直接根据输入功率谱和结构传递函数求出响应谱, 并据此得到各种统计值, 频域法避免了时域法费时的计算, 但是, 它只能对结构进行线性或线性化分析, 进行非线性分析不能得到精确的结果。而时域法则可以精确的进行非线性分析, 并且可以使人们更直接了解结构的特性, 可不必在结构抗风分析中做结构的数学模型简化等大量工作, 而直接计算出设计所需要的力和位移的最大值。随着随机振动理论的发展和计算机技术的进步, 采用随机载荷作用下的时程分析结构的风振反应已经成为可能[2]。
进行时域内的分析首先要确定结构上的风荷载。仅仅依靠已有的记录和观测不能满足实际的需要。人工模拟结构随机风荷载可以适应不同的要求, 满足某些统计特性的随机性, 而且由于随机过程的模拟是从大量实际记录的统计特性出发的, 比单一记录更具有代表性和统计性, 因而被广泛应用。
2 钢结构塔架动力分析
对风荷载钢塔架进行疲劳分析, 首先要对它进行动力分析, 而钢塔架的动力分析则需要了解其本身的动力特性的基础上来得到其在风荷载作用下的动力响应。
钢塔架的动力特性主要有结构的自振周期、各阶振型及其阻尼系数等, 这些动力特性对应的结构动力响应有水平振动、竖向振动和扭转振动, 它们取决于结构组成形式、结构刚度、质量分布、材料性质、外荷载等多种因素。由于钢塔架是一种高柔结构, 以横向荷载为主要荷载, 所以其在风荷载作用下的水平振动的动力特性最为重要。
塔架一般为空间桁架型, 原则上应按空间桁架计算其动力特性, 但考虑到钢塔架的每层横杆、横膈平面刚度较大, 在水平荷载作用下, 同一层钢塔架各节点之间的水平位移差值相对于它们的位移值很小, 所以可以近似地将钢塔架的一层看作是同一质点, 这样研究钢塔架的动力特性具有足够的精度, 又简化了计算和分析过程, 而且得出的结果更为直观。当然, 计算每一个质点在单位力作用下位移的具体方法, 也有精确的空间桁架法和其它近似方法[3]。
通过大量的工程实例计算表明:钢塔架非线性动力分析所得的惯性力及风振系数略小于线性动力分析所得的值, 基于工程实用性, 采用简化的线性动力分析是完全可行且具有足够的精确度, 因此, 一般情况下对钢塔架采用线性动力分析已足够。但对于大型塔楼的电视塔在强风作用下, 其高振型振动在塔顶引起鞭稍效应, 水平位移等非线性特征影响较大, 高振型惯性力引起的剪力和弯矩增大都不能忽视, 按非线性动力分析求得的极限荷载小于按线性强度计算得到的极限荷载, 此时宜对其作非线性动力分析。本论文仅仅研究一般情况下的钢塔架, 故只对其按线性考虑作线性动力分析。
目前钢塔架模型主要有: (1) 空间自由振动分析法; (2) 片质量模型; (3) 集中质量悬臂梁法。研究风荷载作用下钢塔架动力影响的方法, 除了实验外, 在理论上主要有两种方法:一是频域法, 它根据随机振动理论, 建立输入风荷载谱与输出结构响应谱之间的直接关系, 它以结构线性化为前提, 此法简单实用, 一般均能满足实际工程的要求;二是时域法, 它将随机风荷载模拟成时间函数, 然后直接求解运动微分方程, 此法复杂繁琐, 一般在研究应用时才被采用, 但要精确的进行非线性分析只能借助于它。
3 钢结构塔架疲劳理论
疲劳是一个既古老又年轻的分支, 自沃勒将疲劳纳入科学研究的范畴至今, 疲劳研究已经有一百多年的历史, 但仍有方兴未艾之势。人们研究了各种不同材料在不同荷载和环境条件下的疲劳性能, 得出了一些定性和定量的结论, 但从整体上看, 对疲劳问题的研究尚属探索实验阶段, 还没有一种满意的理论能解释其破坏机理, 只是从宏观上得出了一些统计规律。
大多数工程结构或机械的失效是由一系列变幅循环载荷产生的疲劳累积损伤造成的。疲劳累积损伤理论是研究在变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏准则, 它对疲劳寿命的预测十分重要。
目前所有的疲劳积累损伤理论中, 基本上都是等损伤累积, 即线性的等损伤累积理论和非线性的等损伤理论, 习惯上称线性累积损伤理论和非线性累积损伤理论。对后者这些理论大致可分为5类: (1) 基于损伤曲线法的非线性累积损伤理论; (2) 基于材料物理性能退化概念的非线性累计损伤理论; (3) 基于连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论; (4) 考虑载荷间相互作用效应的非线性累计损伤理论; (5) 基于能量法的非线性累积损伤理论。
参考文献
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风电机组塔架优化设计系统分析 篇6
1 风电机组塔架优化设计系统结构分析
根据操作需求和功能的不同, 可以将整个风电机组塔架优化设计系统分为三个层面, 其分别是系统用户界面层、系统应用服务层以及系统数据存储层。
1.1 系统用户界面层
系统用户界面层相当于是整个系统的窗门, 在该层面的用户可以通过相关操作对整个系统的运行进行控制。同时, 系统也会将自身的运行情况和数据信息通过窗口的形式展现给用户, 使用户能够对整个系统的运行情况进行详细了解, 进而确保整个系统的高效、精确运行。
1.2 系统应用服务层
在该层, 用户可以对整个系统的具体运行情况和操作进行控制, 进而实现对风电机组塔架进行快速设计, 并对设计进行进一步优化。在该层面, 对Pro/E5.0软件系统的交互集成, 主要是通过Pro/Toolkit API来实现。
1.3 系统数据存储层
在整个优化设计系统中, 数据存储层是最重要的组层部分, 是整个系统得以实现运行和操作的基础。数据存储层的主要作用, 就是对系统运行过程中的相关数据进行存储。按照存储数据的不同, 可以将整个数据存储层细分为四个数据库, 分别是参数库、实例库、规则库以及模板库。
1.3.1 参数库
参数库, 顾名思义, 其主要作用就是对风电机组塔架的设计参数进行存储, 其中, 主要包括风电机组本身的技术参数、塔架设计的基本参数、塔架材料参数、零部件几何参数以及塔架设计优化参数等。
1.3.2 规则库
规则库所存储的主要是风电机组塔架优化设计中的装配约束关系, 而这些装配约束关系数据, 都是以固定的规则格式存储在规则库中, 当系统运行需要时, 直接对其进行调用。
1.3.3 实例库
该数据库内存储的主要是已经设计成功的风电机组塔架设计优化案例, 详细包括了整个塔架设计过程中所涉及到的相关数据、规则以及零部件配置信息等, 主要作用是为了给风电机组塔架设计优化提供可供参考的设计依据。
1.3.4 模板库
该数据库的主要作用是对塔架优化设计的模板文件进行存储, 通过这些模板文件能够直接对塔架的整体骨架进行快速组装和设计。而这些模板文件都存储在指定目录之下, 当系统设计需要时可以直接通过目录进行调用。
2 风电机组塔架优化设计系统功能分析
在风电机组塔架优化设计系统中, 按照系统功能的不同, 可以将整个优化设计系统分为四个功能模块, 其分别是结构配置模块、分析优化模块、参数化设计模块和设计输出模块。
2.1 结构配置模块
结构配置模块的主要作用是对整个塔架的总体结构进行详细设计和对塔架中零部件的结构组成配置进行设定。通过结构配置模块, 设计人员能够对的整个塔架的结构进行初步设定, 并根据优化设计需求对塔架所需零部件进行合理选择。
首先, 设计人员要在对风电机组塔架设计具体需求的基础上, 对整个风电机组塔架的总体结构进行初步设计, 并由企业管理人员对初步设计方案进行审查, 确定设计方案满足要求之后存储方案继续进行下一设计环节。其次, 在完成塔架总体结构设计之后, 设计人员应该在塔架总体结构初步设计的基础上对整个塔架的零部件进行选择, 同时, 为了确保选择的合理性, 设计人员应该从现有结构模型中进行选择, 以确定所选零部件的性能属性能够满足塔架优化设计要求, 确定没有问题之后, 、对零部件选择方案进行存储。
在此过程中设计人员还应该注意, 不论是在接下来的设计中发现塔架总体结构设计中出现问题, 还是企业要对塔架设计进行适当调整, 设计人员都应该在原有设计方案之下对塔架的总体设计进行调整和修改, 并将修改之后的方案进行存储。
2.2 分析优化模块
该功能模块的主要作用是对塔架总体结构的设计进行分析, 并对分析结果进行优化处理。在该功能模块, 设计者需要先从结构配置模块中取出塔架总体结构设计的主要数据, 并针对结构数据对初始参数进行准确设定。然后, 再利用有限元分析软件建立起有限元分析模型, 病通过求解器对塔架总体结构的静态强度和模拟形态进行详细计算和分析, 得出优化结果。最后, 根据优化结果对塔架总体结构进行优化设计, 并再次将优化结果存储。
2.3 参数化设计模块
在通过以上两个模块对整个风电机组塔架总体设计进行确定之后, 就需要通过参数化设计模块对塔架总体结构的相关设计参数进行提出分析和构建零件三维模型。通过参数化设计模块, 设计人员可以在对塔架总体设计结构的相关参数进行提出之后, 利用Pro/E二次开发接口将所得参数层输送到参数化程序中, 由该程序对整个塔架的总体结构进行计算分析和参数化, 然后生成塔架零件的三维模型, 为塔架零件的选择和构造提供科学有效的参考依据。
2.4 设计输出模块
设计输出模块的主要作用是将确定整体设计塔架的结构转化成二维工程图进行输出, 附带详细的总体结构图、部件图和零件图, 并注明详细尺寸和材料具体要求, 以确保整个塔架优化设计的顺利实现。
3 结束语
风电机组塔架优化设计系统, 是当前对风电机组塔架进行优化设计效率最高的一种设计方式, 但是由于该系统在塔架优化设计中应用的时间并不是很长, 所以多数设计人员对其并不是很了解, 也无法进行高效利用。因此, 作为设计人员, 应该不断加强学习, 加深对优化设计系统的了解和掌握, 进而不断提升自身的设计水平和设计效率。
摘要：风电机组塔架优化设计系统是当前应用较为广泛的一种设计方式, 设计效率较高。文中从风电机组塔架优化设计系统结构和风电机组塔架优化设计系统功能两个主要方面对系统进行了详细分析, 旨在加强设计人员对系统的了解, 进一步提高设计效率。
关键词：风电机组,塔架设计,优化设计,设计系统
参考文献
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基于控制方法的风机塔架减振研究 篇7
大型风力机塔架占风力发电机整机成本的很大比重,塔架制造的主要成本是材料成本。现在风机塔架设计已由刚性塔架设计向柔性塔架设计转变[1]。怎样更好地控制塔架以减小塔架的振动,是进一步减小塔架材料制造用量、增加风机寿命的关键。另外,塔架是支撑机舱的结构件,塔架的振动传导到机舱上,导致机舱和叶片的振动增加,所以塔架振动的控制对减缓风机整机振动具有决定性意义。控制器可以通过变桨及转矩给定的微小改变算法对塔架进行加阻尼运算,有效抑制塔架振动。目前,已有大量学者对塔架加阻算法进行了研究[2-3]。相关文献都能给出了算法的过程和仿真效果[4],但是单纯的加阻算法在风机上应用所存在的风险都没能涉及。
本研究围绕塔架减载问题,研究塔架加阻的柔性振动控制技术,并分析实际应用减振算法的风险和避免方法。首先,分析引发大型变速变距风电机组塔架振动的原因和振动激励源特性; 然后,以某2 MW机组为例,进行振动特性分析,进行加阻滤波桨距控制器设计; 最后,利用许继WRTS-800 和PRDS-600 仿真实验平台对控制策略进行综合验证分析,以疲劳载荷计算结果说明算法的有效性。
1塔架振动原因分析
湍流及阵风扰动、尾流、风切变、偏航回转、塔影效应等引入的载荷波动,都是叶片振动的激励源,当塔架激励源振动频率和塔架的模态频率重合或接近时,就会导致塔架振动急剧增加,所以塔架的减振要从塔架的结构设计到控制器控制干预等设计运行过程全面考虑。首先,设计塔架时,塔架的一阶模态频率应在风轮1P频率和3P频率之间,因为风轮转速的1P频率和3P频率是塔架的主要激励频率,塔架一阶模态频率如果在1P频率之下,则为提高塔架刚度必定增加塔架壁厚或增加塔架直径,导致耗材增加; 塔架一阶模态频率如果在3P频率之上,则因塔架刚度不足容易在运行过程中产生致屈曲的危险[5]。其次,为避免固有频率之间的耦合干扰风轮、机械传动链的固有频率不能于塔架的固有频率过于接近。再次,风机主要激励源频率是可以预知的,如由传动比与电机转速决定的1P、3P及6P频率[6],塔架模态频率设计时应尽量避免接近这些已知敏感频率[7]。
由上述分析可知,正确确定塔架激励源频率是设计及控制塔架振动的先决条件。风轮转速引起塔架的激励源主要有2 个频率: 1因质量不平衡导致的风轮旋转频率,即1P频率; 2因塔影、叶片平面内局部阵风等引起的以叶片穿越频率为基频的激励频率如3P、6P等。
除上述确定性激励频率外,风机运行过程中,有很多不确定频率的激励,对塔架振动的影响也很大,最主要的有: 风剪效应,即随高度增加风速成指数分布,其造成的风轮推力变化频谱包含所有频率成分; 风的湍流变化,湍流风本身就是包含所有频率成分的激励源,所以造成的风轮推力变化频谱包含所有频率成分,风轮推力对塔架的作用力也就包含所有频率成分。
因此,与塔架模态频率接近的激励源是不能在设计过程中完全消除的,研究人员必须借助运行过程中的控制干预,以期尽可能地减少塔架振动。
2塔架振动控制
2. 1 机组坎贝尔图分析
风机主要激励对塔架振动的影响程度,以及风机各模态之间的耦合振动,研究者可以利用整机线性化模型及坎贝尔图加以分析。风机坎贝尔图可以反映整机各部件相互耦合之后的模态特性。在坎贝尔图中,包含了各部件耦合模态频率及各模态振动时相互影响的情况。当模态频率在风轮变速运行范围内,与1P、3P、6P等包络线相交时,即为风机危险运行点,此时需重点分析该部件在相应运行转速下的振动阻尼情况及相应的特殊控制手段[8]。
仿真及分析工具在许继WRTS-800 风力发电机组仿真实验平台和PRDS-600 变桨距仿真实验系统中完成仿真计算工作。WRTS-800 和PRDS-600 仿真实验平台是为开发风机电控系统而设计的集成化仿真实验系统,具有完善的信号采集和信号模拟系统及灵活的通信方案,可方便连接各型号的主控及变桨实物; 内部包含两套风机模型参数输入及计算方法,即以C及Matlab语言为平台的风机模型和以bladed软件为平台的风机模型; 平台可以通过提取风机各部件特征参数快速建立数学模型,可以对风力发电机组进行性能和载荷计算及控制器性能评估,是控制器开发、测试的有效工具; 其中bladed软件所采用的模型和理论方法[9],已得到多家公司的机组设计数据和实测数据的比对验证,被业界所认可。
仿真计算参数基于某2 MW变速变桨机组数据,塔架高78 m,将其塔架划分为48 段。本研究在WRTS-800 和PRDS-600 仿真实验平台上建模并进行模态分析,塔架模态数据如表1 所示。
机组谐振坎贝尔图( 只重点显示塔架部分) 如图l所示。可以看出机组的塔架1 阶前、后模态( 频率0. 37 Hz) 和塔架1 阶侧向模态( 频率0. 373 Hz,与一阶前、后振动模态几乎重合,图中区分不开) ,在风轮转速11 r/min时,和2P斜线有交点,出现谐振情况。2P频率在风机运行中激励源能量不大,不属于主要激励源,在设计塔架时很难避免重合,一旦风机运行中控制0. 37 Hz附近出现激励的较大能量集中,只能通过控制手段消除。
塔架2 阶前、后模态在13. 4 r/min时和风轮转速15P频率有交点,出现谐振情况。15P的激励源能量已经非常有限,这在对风机运行激励谱分析中可以清楚地看出,不到总能量的1% 。
因塔架主要激励源能量与塔架1 阶模态比较接近,且在塔架前、后振动方向上,塔架振动主要考虑塔架一阶前后振动模态的影响。塔架坎贝尔图中塔架1阶前、后振动模态详细频率阻尼信息如表2 所示。由表2 可知,风轮旋转和电机旋转都是塔架振动的主要激励源,风轮旋转中会包含风剪、湍流等引入的各种频率成分,那么对塔架1 阶前、后模态进行加阻控制就十分必要。
2. 2 塔架振动响应分析
塔架对振动源的响应可分解为自由振动响应部分和受迫振动响应部分。其中,自由振动响应频率由塔架模态频率决定,受迫振动响应频率由激励源频率决定。因阻尼的存在,风力机的自由振动的响应部分最终会衰减为0,对结构影响不大; 故可只考虑塔架对受迫振动的响应部分。
假设激励频率为 ω1,激励的输入载荷幅值为P,塔架模态频率为 ω,则在不考虑阻尼项时,塔架振动的响应幅值可表示为:
由式( 1) 可知,当 ω1= ω 时,产生共振现象,即当激振力的频率与塔架模态频率重合时,振动位移将无限增加。当然,因塔架振动阻尼的存在,振动幅值不会达到无限大,但激励频率与塔架共振频率接近时,振动量会成倍增大。为避免运行中的塔架过大振动量,可以从前期设计和运行中控制两方面入手解决。
设计方面,尽量满足塔架的固有频率以避开风轮旋转频率、风轮3P频率这两个主要激励频率的10%以上。塔架模态频率与主要激励频率相对差( 高于额定风速段) 如表3 所示。其中,1P频率为0. 29 Hz,3P频率为0. 87 Hz。由表3 可知,塔架在设计过程中避免了与主要激励产生共振。
2. 3 塔架振动响应模型
塔架的动态响应模型可表示为2 阶阻尼谐振运动,如下式所示:
式中: x—塔架位移,m; F—塔架施加力,N·m,这里主要是风轮推力; ΔF—外部激励变化引起的附加推力,N·m; M,K—塔架模态质量与模态刚度。
由结构动力学知: 塔架频率为 ,单位为rad / s。
在风机运行过程中,其塔架振动的1 阶前、后模态起主要作用。在塔架模态频率和外部激励源频率确定之后,塔架振动量和激励源振幅和塔架阻尼有关,塔架结构阻尼很小,其主要阻尼由气动阻尼提供,如果风轮的气动阻尼较小,小激励便可能引起很大的动态响应。在变桨距控制中,如果能提供一个塔架作用力 ΔF,使ΔF正比于- x,则可以增大气动阻尼,达到塔架减振效果。对控制器来说,能通过改变桨距角来改变风轮推力,从而改变塔架上的推力。这一控制传递函数的输入是塔架的振动速度,输出是变桨角度变化量。因测量塔架的加速度较容易,实际应用时通过塔架振动加速度间接得到塔架速度。
通过风机模型的线性化矩阵,可以得到确定桨矩角下桨距角 Δβ 的变化量导致塔架推力 ΔF的变化量,即 。那么由式( 2) 可知,总阻尼已变为:
依据式( 3) 可以设计需增加的阻尼传递函数增益范围。
2. 4 塔架振动控制反馈传递函数设计
由仿真实验平台,可得到塔架加速度到桨距角输出的线性化模型( 11 m/s风速下) :
因塔架振动特定频率激励如3P频率,虽然能量很大,但距离塔架模态频率很远,不足以引起谐振,在控制中不关心这样的振动响应,故此用一个陷波器与该反馈量串联起来,来滤除塔架加速度不希望出现在传函中的频率。滤波器的2阶传递函数可表示为:(s2+2ξ1ω1s+ω21)/(s2+2ξ2ω2s+ω22)。
其中: 如果 ω1= ω2且 ξ1= 0,即为陷波滤波器,考虑到实验风机的额定风轮转速的3P为0. 87 Hz,取ω1=0.87 Hz;ξ2=0.4。
因变桨响应速度有限,对高频的输入信号,变桨系统根本响应不了,只能造成变桨无效动作,因此传递函数中需加入一个低通滤波器,其传递函数为1 /( τs +1) 。
其中: 时间常数 τ 的取值参考变桨模型响应速度参数,考虑变桨特性取 τ = 0. 3。
设计塔架加阻传递函数如图2 所示。
其中,增益规划要根据式( 3) 的阻尼需求和控制器稳定性需求分析传递函数bode图,在各个风速点上进行规划选取,是该传函设计工作量最大的设计点。在10. 5 m/s风速点,经规划,选择增益值为37. 18。
2. 5 加阻策略的暂时失效及应对
由于加阻算法要求施加力与塔架运动方向相反,本研究对调浆角度增量输出的相位要求比较严格。一旦相位相反,则加阻力即变为激励源。这种情况虽然在传递函数设计时进行了相位补偿,但在整个运行周期内还是不能完全避免。为防止这种现象,控制程序中利用塔架加速度信号经变换出加速度峰峰值这一监测信号,一旦峰峰值超过给定限值,则认为塔架出现谐振情况,控制器加阻使能关闭,并半功率运行固定的时间,以便使塔架脱离谐振状态。
3控制性能分析
本研究在许继WRTS-800 风力发电机组仿真实验平台进行上述控制设计的验证,运行环境采用IEC61400-1-2005 规定的2 类风场湍流模型。笔者利用仿真平台对算法加入前、后进行疲劳载荷计算对比分析。
3. 1 时域仿真数据分析
本研究在12 m/s的湍流风下进行时域仿真,仿真数据表明,风轮转速及发电功率并没有因加阻减振策略的加入而有较大差别,说明策略的加入没有对整体控制造成影响。由策略加入前、后塔架前、后振动情况的部分时域数据可生成的机舱前、后x方向加速度如图3 所示,由图3 可知,减振效果明显。
3. 2 等效疲劳载荷比较
等效疲劳载荷是评估振动对机构寿命损伤的有效方法[10],通过分别对策略增加前、后作等效疲劳载荷对比,可有效评价策略的减振效果。假设应力与载荷是成比例的,可以用载荷来代替应力。假设20 年机组寿命中各部件载荷循环次数为1. 83e8( cycle) ,根据IEC标准规定,假设瑞利分布年平均风速为7. 5 m / s。应用雨流循环计数法来表现疲劳损伤等效载荷。根据Miner假设计算疲劳应力如下:
式中: LN—N次循环等效应力幅,Li— 在第i个bin的应力,ni— 在一个应力变化幅度恒定时段内的载荷循环数,m—S—N曲线的斜率,N— 在机组寿命内允许的循环的次数。
利用仿真平台,取m = 3,计算策略加入前、后塔底My的总疲劳载荷,其结果如表4 所示。由表4 可知,塔架等效疲劳载荷明显减小。
3. 3 风场实验风机验证
为验证减振控制的风场实际运行情况,本研究在张北国家风光储重点实验基地某实验风机上进行了现场测试。其中,1 个月的运行时间不加减振策略,另外1 个月加入相关策略。前、后振动峰峰值统计结果为:额定风速以上时段,加入减振策略后,前、后振动平均峰峰值为0. 48 m/s2; 不加的1 个月统计为0. 61 m/s2,且不加减振策略的1 个月共造成2 次振动过大告警。
策略加入前、后在平均风速均为12 m/s时的两段10 min风场实时采样信号( 合并在一张图中显示) 如图4 所示。由图4 可知,振动控制策略效果明显。
4结束语
本研究通过对塔架振动原因进行分析,阐明了塔架主要激励源的特点,论证了塔架前期设计的优化点,并说明了塔架振动控制不能只依靠设计优化的原因,指出了运行过程中减振控制的必要性。基于上述分析,本研究做了以下研究,并得到了相应的研究结果:
( 1) 通过坎贝尔图分析得到了塔架的振动关注频率;
( 2) 建立了塔架的振动响应方程,在此基础上找到了控制塔架振动的理论基础;
( 3) 设计了塔架减振控制的传递函数,规划了减振策略;
( 4) 指出了减振策略的不足和应对方法;
( 5) 通过实验平台和当前正在风场运行的2 MW风机模型数据验证了策略的可行性;
( 6) 通过实验平台进行载荷计算,进一步验证了策略可行性。
研究结果表明,塔架加阻是必要的。数据分析结果表明,该减振控制策略可以减缓塔架运行过程中的振动值,提高风机寿命。
摘要：为利用控制方法减小兆瓦级风机运行过程中塔架的振动量,对塔架结构动态特性和塔架激励源动态特性进行了分析研究。以某2 MW机组为例,进行了塔架振动情况评估。基于评估结果,设计了增加气动阻尼的塔架振动控制方法,并进一步设计了直接加阻的主动控制结构,结合振动过大时主动降功率运行手段,实现了塔架振动的控制器干预。在许继WRTS-800和PRDS-600仿真实验平台上进行了仿真验证和等效疲劳载荷计算;在实验风场进行了现场实验,并对实验数据进行了统计分析。研究结果表明,采用该方法,塔架等效疲劳载荷明显减小,主动控制减振效果明显。
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