鋼筋混凝土風力發電塔風致動力響應分析

　　風電機組風輪直徑為64.35m，三片槳葉具有循環對稱性。鑒于槳葉結構異常復雜，本文采用剛度等效原則，構建了變剛度殼體（SHELL181）葉片模型。機艙長9.8m，寬3.22m，高3.01m，質量68.5×103kg，將機艙及其內部構件視為一個整體，借助三維梁單元（BEAM189）來模擬即可達到很高的精度。鋼筋混凝土風力發電塔高66.35m，塔底直徑3.9m，塔底厚度0.3m，塔頂直徑2.55m，塔頂厚度0.2m ；混凝土標號C30，彈性模量3×1010Pa，泊松比0.2 ；鋼筋為HRB335，彈性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，可采用復合殼單元（SHELL181）對塔筒進行有限元建模。復合殼單元可用來模擬由多層復合材料所組成的結構，定義該單元時需要給出每層材料的屬性和厚度。可將塔筒沿壁厚方向分為5 層，即內外混凝土保護層、內外縱向受力鋼筋層和兩層鋼筋之間的混凝土層。混凝土層取實際厚度，結構中離散的鋼筋則按照面積等效原則彌散成厚度不變的鋼筋層，層與層之間按照實際結構順序排列（圖1）。在建模過程中，將塔身分成4 段，每段根據塔身的實際配筋情況賦以具有不同厚度的鋼筋層。自下而上四段的縱向鋼筋總配筋量（包括外排縱向鋼筋和內排縱向鋼筋）分別為78716mm2、64468mm2、51516mm2 和26788mm2。塔底采用10×10×1.80m3 的圓形鋼筋混凝土擴展基礎，借助混凝土實體單元Solid65 進行模擬。基礎之下土體的泊松比0.3，密度2100kg/m3，剪切模量5.2×108Pa。在建模過程中，存在著葉片、機艙、塔筒、基礎四個基本構件，不同構件之間的網格密度因為拓撲形狀各異而難以達到完全一致。因此，不同構件之間的連接成為有限元建模的難點。本文采用多點約束單元（MPC184）來實現不同構件之間的連接，完成了風力發電高塔系統“葉片－機艙－塔筒－基礎”一體化建模（圖2），有效地解決了構件之間的滑移問題。根據效率與精度均衡的原則，鋼筋混凝土風力發電塔劃分了1608 個單元。

圖1 鋼筋混凝土塔橫截面分層圖

圖2 風電機組一體化有限元模型

　　3 風場模擬
　　風電機組風速場可分為兩部分：槳葉風速場和塔體風速場。事實上，無法也無需對模型中所有點進行風場仿真。在本文中，對風電機組整體結構進行離散，所有葉片均等效為3 個均勻分布的集中質點，一共為9 個集中質點。塔筒（機艙）離散為非均勻分布的6 個集中質點，各點的具體位置見圖3。等效集中質點為動力計算時需要輸入風速時程的計算點，本文主要進行這些點上的風速時程模擬。