CN110096789A - 一种导流罩刚度和稳定性确定方法 - Google Patents

一种导流罩刚度和稳定性确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种导流罩刚度和稳定性确定方法，包括：建立风电机组导流罩的三维几何模型；将三维几何模型导入有限元分析软件，对罩体外壳进行铺层建模；定义导流罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组导流罩的有限元模型；对风电机组导流罩的有限元模型施加边界条件和载荷；计算风力风电机组导流罩的最大变形值和最小屈曲因子；通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。本发明对复合材料铺层建模，基于材料的正交各向异性定义材料属性，采用变形值和屈曲因子评估计算结果，判定方法更加合理，计算结果更准确。

Description

一种导流罩刚度和稳定性确定方法
技术领域
本发明属于风力发电机组部件强度分析技术领域，具体涉及一种导流罩刚度和稳定性确定方法。
背景技术
随着现代社会的不断发展，人们对能源的需求也快速增长。不可再生能源的传统能源因环境和贮备量不断受到限制。国家和政府正在积极发展清洁并可再生能源，以取代传统的不可再生能源。
风能是一种重要的清洁能源，对于解决全球环境和能源危机具有重要意义。近年来，受到政策鼓励，国内风力发电机组发展迅速，累计装机容量已突破1.9亿千瓦。风力机组的安全问题至关重要，为了保证设备的可靠性，必须对风力机组各个部件的结构性能进行计算分析。
导流罩作为风力发电机组的外壳，用于保护轮毂及相关零部件不收外界破坏。导流罩安全可靠是风电机组正常运行以及更高效率利用风能的重要前提，它对风电机组的稳定性、对风能利用率以及叶片的空气动力学性能都有着十分重要的影响。复合材料导流罩的刚度和稳定性分析是衡量部件可靠性的关键因素。
然而国内企业和机构尚未公开相关的发明专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电机组导流罩刚度和稳定性计算方法，本发明基于复合材料有限元仿真技术，用于解决当前该技术领域应用少、计算不准确的问题。
本发明提供了如下的技术方案：
一种导流罩刚度和稳定性确定方法，包括以下步骤：
1、建立风电机组导流罩的三维几何模型，包括玻璃钢复合材料的罩体上顶盖、3个1/3片体和舱门，上顶盖和3个1/3片体分别通过翻边法兰螺栓连接；3个1/3片体包括壳体和内部的泡沫增强结构，所述壳体由胶衣层以及铺设于胶衣层上的玻璃纤维层组成，所述泡沫增强结构由内部的泡沫增强层以及包裹于泡沫增强层外的玻璃纤维层组成；
2、将风电机组导流罩的三维几何模型导入有限元分析软件，对玻璃纤维层进行铺层建模，玻璃纤维层铺层建模细化到单层纤维层，且考虑树脂灌注作用；
3、定义风电机组导流罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组导流罩的有限元模型；
4、对风电机组导流罩的有限元模型施加边界条件；
5、对风电机组导流罩的有限元模型施加载荷；
6、计算风力风电机组导流罩的最大变形值和最小屈曲因子；
7、通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。
优选的，步骤3中，定义材料属性时，分别定义沿玻璃纤维方向和垂直玻璃纤维方向的杨氏模量和泊松比；定义截面属性时，玻璃纤维层采用壳单元模拟，玻璃纤维层由几层至十几层的单层玻璃纤维组成，各层玻璃纤维的类型、厚度、铺设角度分别定义；泡沫增强层和胶衣层均采用壳单元模拟。
优选的，步骤4中，对风电机组导流罩的有限元模型施加边界条件，导流罩通过支架和锁扣固定在轮毂上，在风电机组导流罩的有限元模型中定义固定约束。
优选的，步骤5中，施加的载荷包括风载荷、重力载荷和活载荷；
所述风载荷为对导流罩外表面的各受风端面分别施加极限风压载荷；
所述重力载荷为施加导流罩自重载荷；
所述活载荷为对导流罩行走区域、站立区域和水平防护区域施加均布压力。
优选的，步骤6中，包括重力载荷与活载荷叠加以及重力载荷与风载荷叠加两种极限工况，以计算导流罩的极限性能。
优选的，步骤7中，采用最大变形值对风电机组导流罩的刚度进行评估，以导流罩的径向跨度和变形许用比例计算的许用变形为准则；
采用最小屈曲因子对风电机组导流罩的稳定性进行评估，根据玻璃钢复合材料稳定性分析对应的材料安全系数计算得到屈曲安全系数。
优选的，根据导流罩的跨度和变形许用比例计算其许用变形wlimit。对导流罩，取其径向跨度。对有限元计算得到的各工况下的最大变形w按载荷安全系数进行折减，各工况对应的折减系数χ取工况组合中最小的载荷安全系数，折减后的变形ωχ为：
ωχ＝ω/χ， (1)
变形安全系数S def为：
S def＝wlimit/ωχ。 (2)
优选的，屈曲因子计算大于0的前3阶，取前3阶的最小值作为最小屈曲因子Qmin。根据计算得到屈曲安全系数sb为：
sb＝Qmin/rm。 (3)
本发明的有益效果是：本发明所提供的技术方案中，基于导流罩为正交各向异性的复合材料的材料性质和实际生产工艺，有限元建模时进行复合材料铺层，定义各层玻璃纤维力学性能参数并考虑树脂灌注，有限元模型更加符合实际；有限元模型载荷和边界条件严格按照计算标准，导流罩受力情况更加真实，计算结果更为准确；采用变形值和屈曲因子评估计算结果，判定方法更加合理。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的风电机组导流罩三维几何模型示意图；
图2是本发明的风电机组导流罩的风压面示意图；
图3是对本发明的风电机组导流罩的罩体外壳进行铺层建模时的材料剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体描述本发明的最优实施方式。
本发明的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，包括以下步骤：
1.建立风电机组导流罩的几何模型，如图1、2所示，包括玻璃钢复合材料的罩体上顶盖1、3个1/3片体2和舱门3，上顶盖和3个1/3片体通过翻边法兰螺栓连接。
2.对风电机组导流罩几何模型进行适当简化，删除细小的螺纹孔和倒角；将风电机组导流罩的三维几何模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench。由于复合材料为正交各向异性材料，应用软件前处理功能，对导流罩进行铺层建模，如图3所示，建立胶衣层11、玻璃纤维层12、泡沫增强层13。其中，玻璃纤维层铺层建模细化到单层纤维层，如短切毡，复合毡，双轴向布等；且考虑树脂灌注作用。此建模方法更为复合实际工艺，计算结果更加准确。
3.在有限元分析软件前处理中，定义导流罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组导流罩的有限元模型。
在定义材料属性时，由于玻璃纤维为正交各向异性材料，沿着纤维方向和垂直纤维方向的材料性质完全不同，需要分别定义玻璃纤维层不同方向的杨氏模量和泊松比：诸如某600g/m2预浸料纤维材料定义如下材料参数：纤维方向的杨氏模量E11为29095MPa，垂直纤维方向的杨氏模量E22为8390MPa，三泊松比为0.293，切线模量为3180MPa。定义玻璃纤维层纤维方向的拉伸强度为560MPa，垂直纤维方向的拉伸强度为560MPa,纤维方向的压缩强度为60MPa，垂直纤维方向的压缩强度为110MPa，面内剪切强度为12MPa。
在定义截面属性时，玻璃纤维层采用壳单元模拟，玻璃纤维层由几层至十几层的单层玻璃纤维组成，各层玻璃纤维的类型、厚度、铺设角度等不同，需要分别定义，如以下一个厚度约为6mm的导流罩的铺层建模如下表1；泡沫增强层采用壳单元模拟，胶衣层采用壳单元模拟。
表1某导流罩玻璃纤维层截面属性定义
4.对风电机组导流罩的有限元模型施加边界条件。导流罩通过支架和锁扣固定在轮毂上，在风电机组导流罩的有限元模型中定义固定约束。
5.对风电机组导流罩的有限元模型施加载荷，包括风载荷、重力载荷和活载荷。
风载荷为对导流罩外表面的各受风端面分别施加极限风压载荷。考虑3种工况：
DLC6.1：50年一遇阵风，气流方向在前方±15°扇区范围内，载荷安全系数γF＝1.35；
DLC6.2：50年一遇阵风，气流方向在所有方向，载荷安全系数γF＝1.1，电网故障且偏航驱动无能量缓冲；
DLC7.1：1年一遇阵风，气流方向在所有方向，载荷安全系数γF＝1.1，电网故障且偏航驱动有能量缓冲。
根据导流罩的结构特点，风压面分为以下4个部分，见图2。导流罩前端盖为风压面A，导流罩分片总成分别为风压面B、C、D。
根据空气动力学原理，当导流罩某个方向迎风时，该方向受正风压，罩体其余风压面受负风压。导流罩受极限风载时，受风前端面和后端面极限风载利用系数Cw分别为0.8和0.5，受风侧端面极限风载利用系数Cw为0.6。根据动量定理和流体伯努利方程，通过下述公式分别计算极限风速条件下受风前端面、受风后端面、受风侧端面的单侧受极限风载：
P＝V2CWγFρ/2 (4)
其中P为单位面积实际极限风载；V为风速，根据德国船级社规范，选择不同风况下的极限风速；Cw为极限风载利用系数；γF为载荷安全系数；ρ为空气密度。
活载荷为对导流罩行走区域、站立区域和水平防护区域施加均布压力。导流罩顶部/底部可行走区域施加3kN/m2的均布压力，载荷安全系数1.5；每人站立区域在20cmx20cm区域内施加1.5kN的集中力，载荷安全系数为1.5；对所有用来提供水平防护的结构部件，其水平载荷作用区域高度为高于地板或站立线1.1m，载荷分布跨度20cm或20cmx20cm的区域，载荷为1.5kN的集中力，载荷安全系数为1.5。
重力载荷为施加导流罩自重载荷，DLC6.1工况下重力载荷安全系数为1.35，其它工况安全系数为1.1。
6.计算风力风电机组导流罩的最大变形值和最小屈曲因子；工况包括重力载荷与活载荷叠加、以及重力载荷与风载荷叠加两种极限工况，以计算导流罩的极限性能。如下面两组工况表，表1为重力载荷与活载荷组合工况表，L、M、N为站立位置点，LX、LY、LZ为站立位置对应水平防护点；表2为重力载荷与风力载荷组合工况。
将以上工况和极限风载的有限元模型分别提交有限元分析软件计算。
表2重力载荷与活载组合工况
表3重力载荷与风力载荷组合工况
工况 说明 载荷组合
DLC6.1_N DLC6.1风正吹 1.35*DLC6.1_N+1.35*gravity
DLC6.1_T DLC6.1风偏15°正吹 1.35*DLC6.1_T+1.35*gravity
DLC6.2_N DLC6.2风正吹 1.1*DLC6.2_N+1.1*gravity
DLC6.2_L DLC6.2风侧吹 1.1*DLC6.2_L+1.1*gravity
DLC6.2_B DLC6.2风背吹 1.1*DLC6.2_B+1.1*gravity
DLC7.1_N DLC7.1风正吹 1.1*DLC7.1_N+1.1*gravity
DLC7.1_L DLC7.1风侧吹 1.1*DLC7.1_L+1.1*gravity
DLC7.1_L DLC7.1风背吹 1.1*DLC7.1_B+1.1*gravity
7.通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。
最大变形值(刚度判定方法)为：根据导流罩的跨度和变形许用比例计算其许用变形wlimit。对导流罩，取其径向跨度。对有限元计算得到的各工况下的最大变形w按载荷安全系数进行折减，保守起见，各工况对应的折减系数χ取工况组合中最小的载荷安全系数，折减后的变形ωχ为：
ωχ＝ω/χ， (5)
变形安全系数S def为：
S def＝wlimit/ωχ。 (6)
算得变形安全系数范围为1.5-3.5，均大于1，导流罩刚度满足要求。
最小屈曲因子(稳定性判定方法)为：首先确定复合材料稳定性分析对应的材料安全系数：考虑模量的分散性(1.1)，温度效应(1.1)，对线弹性计算(1.25)，材料安全系数为2.042。屈曲因子一般计算大0的前3阶。取前3阶的最小值作为最小屈曲因子Qmin。
根据计算得到屈曲安全系数sb为：
sb＝Qmin/rm。 (7)
计算得到屈曲安全系数sb分布在1.8-4之间，大于1，导流罩稳定性满足要求。
本发明涉及的导流罩刚度和稳定性计算方法，应用于某3W风电机组，将测试值对比实际测试结果可知，采用本方法的计算偏差不超过13％，结果可靠。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立风电机组导流罩的三维几何模型，包括玻璃钢复合材料的罩体上顶盖、3个1/3片体和舱门，上顶盖和3个1/3片体分别通过翻边法兰螺栓连接；3个1/3片体包括壳体和内部的泡沫增强结构，所述壳体由胶衣层以及铺设于胶衣层上的玻璃纤维层组成，所述泡沫增强结构由内部的泡沫增强层以及包裹于泡沫增强层外的玻璃纤维层组成；
S2、将风电机组导流罩的三维几何模型导入有限元分析软件，对玻璃纤维层进行铺层建模，玻璃纤维层铺层建模细化到单层纤维层，且考虑树脂灌注作用；
S3、定义风电机组导流罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组导流罩的有限元模型；
S4、对风电机组导流罩的有限元模型施加边界条件；
S5、对风电机组导流罩的有限元模型施加载荷；
S6、计算风力风电机组导流罩的最大变形值和最小屈曲因子；
S7、通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，步骤S3中，定义材料属性时，分别定义沿玻璃纤维方向和垂直玻璃纤维方向的杨氏模量和泊松比；定义截面属性时，玻璃纤维层采用壳单元模拟，玻璃纤维层由几层至十几层的单层玻璃纤维组成，各层玻璃纤维的类型、厚度、铺设角度分别定义；泡沫增强层和胶衣层均采用壳单元模拟。
3.根据权利要求1所述的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，步骤S4中，对风电机组导流罩的有限元模型施加边界条件，导流罩通过支架和锁扣固定在轮毂上，在风电机组导流罩的有限元模型中定义固定约束。
4.根据权利要求1所述的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，步骤S5中，施加的载荷包括风载荷、重力载荷和活载荷；
所述风载荷为对导流罩外表面的各受风端面分别施加极限风压载荷；
所述重力载荷为施加导流罩自重载荷；
所述活载荷为对导流罩行走区域、站立区域和水平防护区域施加均布压力。
5.根据权利要求1所述的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，步骤S6中，包括重力载荷与活载荷叠加以及重力载荷与风载荷叠加两种极限工况，以计算导流罩的极限性能。
6.根据权利要求1所述的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，步骤S7中，采用最大变形值对风电机组导流罩的刚度进行评估，以导流罩的径向跨度和变形许用比例计算的许用变形为依据；
采用最小屈曲因子对风电机组导流罩的稳定性进行评估，根据玻璃钢复合材料稳定性分析对应的材料安全系数计算得到屈曲安全系数。
7.根据权利要求6所述的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，根据导流罩的跨度和变形许用比例计算其许用变形wlimit。对导流罩，取其径向跨度。对有限元计算得到的各工况下的最大变形w按载荷安全系数进行折减，各工况对应的折减系数χ取工况组合中最小的载荷安全系数，折减后的变形ωχ为：
ωχ＝ω/χ， (1)
变形安全系数Sdef为：
Sdef＝wlimit/ωχ。 (2)
8.根据权利要求6所述的一种导流罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，屈曲因子计算大于0的前3阶，取前3阶的最小值作为最小屈曲因子Qmin。根据计算得到屈曲安全系数sb为：
sb＝Qmin/rm。 (3)
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