CN112632722B - 用于风电机组塔筒门框的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其包括步骤：将门框划分为直线段、顶部椭圆段和底部椭圆段三个部分，以使直线段、顶部椭圆段和底部椭圆段的截面刚度分别与塔筒的筒壁刚度匹配；通过使塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0与门框直线段的截面惯性矩I_z1相等，建立函数关系，以计算得到确定的门框厚度值；通过逐渐减小门框的顶部椭圆段和底部椭圆段的板厚的方式，使门框顶部椭圆段和底部椭圆段的截面惯性矩I’_z1与塔筒被割除部分的截面惯性矩I’_z0之比K为常数，其中K值介于1.1～1.3。本发明可唯一确定门框厚度，确定门框椭圆段等刚度曲线，使得门框结构与筒壁刚度实现最佳匹配，确保最优设计。

Description

用于风电机组塔筒门框的优化设计方法

技术领域

本发明涉及风电发电机技术领域，尤其涉及一种用于风电机组塔筒门框的优化设计方法。

背景技术

风电机组塔筒是风电机组的重要承载构件。目前，风电机组塔筒的最常用结构为空心圆柱/圆锥结构，在该结构中，通常在塔筒底部开设塔筒门，以便工作人员和设备进出。为此，塔筒门框处需要设门框进行补强。一般而言，门框可采用钢板卷制、或整体锻造以切割成型。

目前，在门框结构设计中，一般采用经验设计方式，但不能实现优化设计。也有部分风电制造商采用构建参数化有限元模型后计算优化的方式，但建模过程复杂、耗时较长，设计效率低。

因此，本领域需要一种用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其可消除或至少缓解上述现有技术中的全部或部分缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其可唯一确定门框厚度，确定门框椭圆段等刚度曲线，使得门框结构与筒壁刚度实现最佳匹配，确保最优设计。

在此强调，除非另有说明，本文所用术语与本领域中各种科技术语的通常含义、各种技术词典、教科书等中定义的专业术语的含义一致。

为此，根据本发明一实施例，提供一种用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其中，所述优化设计方法包括步骤：

将门框划分为直线段、顶部椭圆段和底部椭圆段三个部分，以使直线段、顶部椭圆段和底部椭圆段的截面刚度分别与塔筒的筒壁刚度匹配；

通过使塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0与门框直线段的截面惯性矩I_z1相等，建立函数关系，以计算得到确定的门框厚度值；

通过逐渐减小门框的顶部椭圆段和底部椭圆段的板厚的方式，使门框顶部椭圆段和底部椭圆段的截面惯性矩I’_z1与塔筒被割除部分的截面惯性矩I’_z0之比K为常数，其中K值介于1.1～1.3。

进一步地，所述的通过使塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0与门框直线段的截面惯性矩I_z1相等，建立第一函数关系，以获得确定的门框厚度值的步骤可包括：

首先，计算塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0：

其中，A0表示塔筒被割除部分的任意截面图形的总面积，dθ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处相对于y坐标轴负方向逆时针旋转时在圆周方向上的角度微元，ρ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处与圆心的距离，dρ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处与圆心的距离的微元，r表示塔筒内半径，R表示塔筒外半径，α表示门框在塔筒上的开设半角；

下一步，计算门框部分截面惯性矩I_z1：

其中，A1表示门框部分的任意截面图形的总面积，dA表示门框部分的任意截面图形内选取的微元面积，y表示各微元与z坐标轴之间的距离，S表示门框部分的开门宽度，b表示门框厚度，dz表示沿z坐标轴方向的微元，dy表示沿y坐标轴方向的微元，yl表示门框的外缘距塔筒中心距离，y2表示门框的内缘距塔筒中心距离；

下一步，联立公式(4)和(7)，以计算得到门框厚度b。

进一步地，所述的通过逐渐减小门框的顶部椭圆段和底部椭圆段的板厚的方式，使门框顶部椭圆段和底部椭圆段的截面惯性矩I’_z1与塔筒被割除部分的截面惯性矩I’_z0之比K为常数的步骤可包括：

首先，根据如下椭圆公式(8)推导出门框外廓线z₁和门框内廓线z₂，

其中，c表示筒壁上各处部分椭圆段的长半周长，a表示短半周长，z表示筒壁上各处部分椭圆段的z坐标轴方向的坐标，x表示筒壁上各处部分椭圆段的x坐标轴方向的坐标；

下一步，计算椭圆段相对于椭圆段与直线段的交界线的x高度处的截面板厚b_x：

b_x＝z₁-z₂ (11)

与所述截面板厚b_x对应的角度α以公式(12)表达：

下一步，计算出x高度处对应的合理门框深度h_x，获得门框的与塔筒筒壁匹配的等刚度曲线：

进一步地，在所述的计算出x高度处对应的合理门框深度h_x，获得门框的与塔筒筒壁匹配的等刚度曲线的步骤之后，沿等刚度曲线截取一个切线，以根据切线形状制作钢板。

进一步地，塔筒的内半径r和外半径R可由塔筒整体设计确定。

进一步地，开门宽度S可根据工作人员和设备进出的使用要求确定。

进一步地，门框宽度h和门框外缘距塔筒中心距离y₂可由焊接、装配制作工艺确定，并且，y₂＝y_l+h。

根据本发明实施例提供的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法可具有如下有益效果：

本发明通过提供一种用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，可唯一确定门框厚度，确定门框椭圆段等刚度曲线，使得门框结构与筒壁刚度实现最佳匹配，确保最优设计。并且，本发明可综合提高设计优化效率，节约材料，降低成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性示出根据本发明一实施例的一用于风电机组塔筒门框的优化设计方法的流程图；

图2示意性示出可利用图1的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法的塔筒和门框的俯视图；

图3(a)示意性示出图2中的门框的主视图，图3(b)示意性示出计算出的图3(a)中的门框的椭圆段等刚度曲线，图3(c)示意性示出根据图3(b)中的椭圆段等刚度曲线获得的切线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明根据本发明实施例提供的技术方案。

图1示意性示出根据本发明一实施例的一用于风电机组塔筒门框的优化设计方法的流程图。图2示意性示出可利用图1的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法的塔筒和门框的俯视图。图3(a)示意性示出图2中的门框的主视图，图3(b)示意性示出计算出的图3(a)中的门框的椭圆段等刚度曲线，图3(c)示意性示出根据图3(b)中的椭圆段等刚度曲线获得的切线。

参见图1，示出根据本发明一实施例的一用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其中，所述优化设计方法包括步骤：

将门框4划分为直线段1、顶部椭圆段2和底部椭圆段2’三个部分，以使直线段1、顶部椭圆段2和底部椭圆段2’的截面刚度分别与塔筒的筒壁刚度匹配；

通过使塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0与门框直线段的截面惯性矩I_z1相等，建立函数关系，以计算得到确定的门框厚度值；

通过逐渐减小门框的顶部椭圆段2和底部椭圆段2’的板厚的方式，使顶部椭圆段2和底部椭圆段2’的截面惯性矩I’_z1与塔筒被割除部分的截面惯性矩I’_z0之比K为常数，其中K值介于1.1～1.3。

原理上，风电塔筒底部受弯矩影响最为显著。在塔筒受载时，若塔筒门框的设计厚度和宽度偏大，将导致门框刚度过大，塔筒门框和周边筒壁刚度不匹配，导致筒壁门框的周边筒壁应力集中，致使周边筒壁应力较大；若门框的设计厚度和宽度偏小，又使门框本体强度不足，使得整个塔筒的屈曲稳定性变差，产生失稳风险。

因而，本发明意图使门框结构与筒壁刚度实现最佳匹配，确保最优设计。

如图2和3示，塔筒门框4可由直线段l、位于直线段l两侧的顶部椭圆段2和底部椭圆段2’构成。

因此，对塔筒门框4的主要要求是直线段1、顶部椭圆段2和底部椭圆段2’的刚度与塔筒筒壁3相匹配。

如图所示，塔筒筒壁3可具有内半径r，外半径R，门框4在塔筒上的开设半角α，门框厚度b，开门宽度S，门框4的外缘距塔筒中心距离y_l，内缘距塔筒中心距离y₂，门框宽度h，筒壁3上各处部分椭圆段的长半周长为c，短半周长为a。

塔筒内半径r、外半径R可由塔筒整体设计确定。

开门宽度S可根据工作人员和设备进出的使用要求确定。

门框宽度h、门框外缘距塔筒中心距离y₂可由焊接、装配制作工艺确定，且具有如下要求：y₂＝y_l+h。

如图2和3所示，假定平行于水平面的方向为x坐标轴方向，门框正对方向为y坐标轴方向，z坐标轴为门框4的中性轴，且x坐标轴、y坐标轴及z坐标轴互相垂直。

在本发明中，对于材料截面抗弯刚度EI_z，在材料相同的情况下，则要求保证中性轴z坐标轴的截面惯性矩I_z相同。截面惯性矩I_z一般是指截面各微元面积与各微元至截面上某一指定轴线距离二次方乘积的积分，是衡量截面抗弯能力的一个几何参数。

在本发明中，I_z是以z坐标轴为中性轴的截面惯性矩，可用如下公式表达：

其中，A表示任意截面图形的面积，dA表示任意截面图形内选取的微元面积，y表示各微元与z坐标轴之间的距离。

首先，对于直线段1，分别计算塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0和门框部分截面惯性矩I_z1：

<1>根据公式(1)，塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0可用如下公式表达：

其中，A0表示塔筒被割除部分的任意截面图形的总面积，dθ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处相对于y坐标轴负方向逆时针旋转时在圆周方向上的角度微元，ρ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处与圆心的距离，dρ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处与圆心的距离的微元，r表示塔筒内半径，R表示塔筒外半径，α表示门框在塔筒上的开设半角。

<2>根据公式(1)，门框部分截面惯性矩I_z1可用如下公式表达：

其中，A1表示门框部分的任意截面图形的总面积，dA表示门框部分的任意截面图形内选取的微元面积，y表示各微元与z坐标轴之间的距离，S表示门框部分的开门宽度，b表示门框厚度，dz表示沿z坐标轴方向的微元，dy表示沿y坐标轴方向的微元，yl表示门框的外缘距塔筒中心距离，y2表示门框的内缘距塔筒中心距离。

<3>对于直线段1和1’，为了与塔筒筒壁3刚度相等，则可联立公式(4)、(7)，可以发现仅存在一个未确定变量b，并且可以求解得到门框厚度b的唯一解。

其次，对于椭圆段2和2’，可分别采用逐渐减小门框板厚度的方式使门框与塔筒的刚度趋于一致，即维持I′_z1/I′_z0＝K，其中K值取1.1～1.3。

<1>椭圆公式可如下表达：

其中，c表示筒壁上各处部分椭圆段的长半周长，a表示短半周长，z表示筒壁上各处部分椭圆段的z坐标轴方向的坐标，x表示筒壁上各处部分椭圆段的x坐标轴方向的坐标。

如图所示，由上述公式(8)可推导出如下表达的门框外廓线z₁：

相似地，由上述公式(8)可推导出如下表达的门框内廓线z₂：

计算椭圆段相对于椭圆段与直线段的交界线的x高度处的截面板厚b_x：

b_x＝z₁-z₂ (11)

对应的角度α应有：

由上面公式(9)(10)(11)(12)，可推导并确定x高度处对应的合理门框深度h_x：

其中，K＝I′_z1/I′_z0，K值可取1.1～1.3。

即可得到门框4的与塔筒筒壁3匹配的等刚度曲线，如图3(b)所示的曲线hx。

最后，由于实际工程制作中难以、也无必要严格按照等刚度曲线来制作钢板，因而可按照施工工艺条件，可沿等刚度曲线截取一个切线来进行制作，例如如图3(c)所示的切线T。

综上，本发明通过提出一种风电机组塔筒门框快速优化设计的方法,能够唯一确定门框厚度，确定门框椭圆段等刚度曲线。而且，根据本发明实施例的方法，可使得门框结构与筒壁刚度实现最佳匹配，保证最优设计，并综合提高设计优化效率，节约材料，降低成本。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其特征在于，包括步骤：

将门框划分为直线段、顶部椭圆段和底部椭圆段三个部分，以使直线段、顶部椭圆段和底部椭圆段的截面刚度分别与塔筒的筒壁刚度匹配；

通过使塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0与门框直线段的截面惯性矩I_z1相等，建立函数关系，以计算得到确定的门框厚度值；

通过逐渐减小门框的顶部椭圆段和底部椭圆段的板厚的方式，使门框顶部椭圆段和底部椭圆段的截面惯性矩I’_z1与塔筒被割除部分的截面惯性矩I’_z0之比K为常数，其中K值介于1.1～1.3。

2.如权利要求1所述的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其特征在于，所述的通过使塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0与门框直线段的截面惯性矩I_z1相等，建立第一函数关系，以获得确定的门框厚度值的步骤包括：

首先，计算塔筒被割除部分的截面惯性矩I_z0：

其中，A0表示塔筒被割除部分的任意截面图形的总面积，dθ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处相对于y坐标轴负方向逆时针旋转时在圆周方向上的角度微元，ρ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处与圆心的距离，dρ表示位于塔筒被割除部分任意截面图形内的各处与圆心的距离的微元，r表示塔筒内半径，R表示塔筒外半径，α表示门框在塔筒上的开设半角；

下一步，计算门框部分截面惯性矩I_z1：

其中，A1表示门框部分的任意截面图形的总面积，dA表示门框部分的任意截面图形内选取的微元面积，y表示各微元与z坐标轴之间的距离，S表示门框部分的开门宽度，b表示门框厚度，dz表示沿z坐标轴方向的微元，dy表示沿y坐标轴方向的微元，yl表示门框的外缘距塔筒中心距离，y2表示门框的内缘距塔筒中心距离；

下一步，联立公式(4)和(7)，以计算得到门框厚度b。

3.如权利要求2所述的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其特征在于，所述的通过逐渐减小门框的顶部椭圆段和底部椭圆段的板厚的方式，使门框顶部椭圆段和底部椭圆段的截面惯性矩I’_z1与塔筒被割除部分的截面惯性矩I’_z0之比K为常数的步骤包括：

首先，根据如下椭圆公式(8)推导出门框外廓线z₁和门框内廓线z₂，

其中，c表示筒壁上各处部分椭圆段的长半周长，a表示短半周长，z表示筒壁上各处部分椭圆段的z坐标轴方向的坐标，x表示筒壁上各处部分椭圆段的x坐标轴方向的坐标；

下一步，计算椭圆段相对于椭圆段与直线段的交界线的x高度处的截面板厚b_x：

b_x＝z₁-z₂ (11)

与所述截面板厚b_x对应的角度α以公式(12)表达：

下一步，计算出x高度处对应的合理门框深度h_x，获得门框的与塔筒筒壁匹配的等刚度曲线：

4.如权利要求3所述的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其特征在于，在所述的计算出x高度处对应的合理门框深度h_x，获得门框的与塔筒筒壁匹配的等刚度曲线的步骤之后，

沿等刚度曲线截取一个切线，以根据切线形状制作钢板。

5.如权利要求4所述的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其特征在于，

塔筒的内半径r和外半径R由塔筒整体设计确定。

6.如权利要求5所述的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其特征在于，

开门宽度S根据工作人员和设备进出的使用要求确定。

7.如权利要求6所述的用于风电机组塔筒门框的优化设计方法，其特征在于，

门框宽度h和门框外缘距塔筒中心距离y₂由焊接、装配制作工艺确定，并且，y₂＝y_l+h。