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【摘 要】 本文结合大型有限元软件建立了风力发电机结构的三维有限元模型，对其在常规风荷载作用下的受力情况进行了分析，并与现场监测结果进行比较分析，结果表明，计算结果与监测结果吻合较好。研究了暴风荷载（50年一遇的设计风荷载）作用下风力发电机结构正交和偏航时塔筒各部位的受力情况，并根据所选用的钢材分析了结构的安全性能，得出在暴风作用下，结构偏航比结构正交的情况要更加安全，且为保证结构不受破坏，应使风力发电机暂停发电，采取偏航措施。
【关键词】 风力发电机结构；现场监测；暴风荷载；正交和偏航；安全性能
一、前言
在外部风荷载作用下研究风力发电机结构抵御灾变能力的大小具有重要意义。风力发电机结构所处的环境非常复杂（一般为风力较大的山地或海中），经常会遇到一些重大灾害，如何保证结构不发生整体破坏是学者们一直在研究的问题。国内外学者[1]～[5]针对风荷载作用下风力发电机结构的动力响应做了大量研究，而在对风力发电机结构进行风荷载作用下的仿真模拟方面，我国的研究相对比较晚，研究风力发电机结构在复杂环境下的受力特性，对保证结构的安全性能，防止结构出现倒塌破坏有重要的意义。基于此，本文对风力发电机结构进行了受力计算，并进行了现场监测，并根据所用的钢材分析了结构的安全性能，得出了一些有益的开拓性结果。
二、工程背景和计算模型
2.1结构的有限元模型
本文利用大型有限元仿真软件对风力发电机结构进行模拟，塔顶高度为50m；机舱总重23t；风轮采用3个叶片，风轮直径为50m，叶片长度为24m，单个叶片重量为3t。塔体高度、塔筒壁厚及门洞几何尺寸均根据施工图纸设定如图2（a）所示。塔体的风轮叶片和轮壑均用三维实体进行模拟。结构的塔壁和叶片均采用shell63单元，机舱采用solid45单元，密度为7850Kg/m3，叶片设为刚性。塔体底部与基础固结，结构的有限元模型如图1所示。
图1 结构的几何图形和有限元模型
2.2常规风荷载作用下结构的受力分析
根据日本规范的计算方法可计算风力发电机结构在5m/s作用下的受力情况，对上部结构而言，将其总荷载平均分布于叶片及机舱上面，即叶片及机舱的面荷载为上部结构总荷载除以3个叶片及机舱的受力面积。对风力发电机结构进行加载，得出其在5m/s的风荷载作用下z方向的应力和位移云图分别如图3所示。
（a）应力云图 （b）位移云图
图2 风力发电机结构z方向的应力云图和位移云图
由图2（a）可知，风力发电机结构在5m/s的风速作用下，结构的应力都为负值，风力发电机结构基本处于受压状态。有限元软件计算得到的最大应力为11.4MPa，且本文根据日本规范方法计算的结构应力最大值为10.97MPa，二者相差3.7%，在误差允许范围之内。同时，其发生的位置在离地面约31m。由图3（b）可知，其位移最大值为0.169m，小于结构的位移限值0.6944m。
三、常规风荷载作用下风力发电机结构的现场监测
3.1现场监测概况
选择风力发电机结构的外侧的底部以及内部进行布点，开口处容易发生应力集中，应变和应力比较大，因此在开口处加密测点，在风力发电机的开口处布设了三个点。总计布设了10个监测点，外部布设8个点，内部布设2个点。应变监测的布点位置如图3所示。
图3 风力发电机监测点平面布置图
3.2监测结果与计算机模拟结果的对比分析
通过对风力发电机结构进行风荷载作用下的现场监测，并与本文数值模拟的结果进行对比，可以验证模拟结果的合理性，进而通过数值模拟进一步预测更大风荷载作用时结构的力学特性变化，明确恶劣台风等环境条件下风力发电机结构的力学性能。选取风力发电机每个监测点一分钟采集过程中的最大值作为每个监测点的应变值，根据有限元软件的模拟结果进行对比如表2所示。
表2 模拟应变与监测应变对比表
监测点 监测应变/（με） 模拟应变/（με） 相差比例/（%）
1 18.21 17.01 7.05%
2 17.32 13.03 32.92%
3 25.42 23.68 7.35%
4 19.56 17.84 9.64%
5 18.21 17.06 6.74%
6 16.02 15.03 6.59%
7 18.78 17.74 5.86%
8 25.25 22.41 12.67%
9 28.35 26.51 6.94%
10 25.54 23.32 9.52%
由表1可以看出應变模拟值和监测值相差不大，大部分相差在10%以内，结果也都在误差允许范围之内，故本文所用的计算方法是可行的。但也有各别监测点相差较大如2号监测点，这是因为计算机模拟结构与实际监测结构采样位置有一定的差距，而且监测仪器存在测量误差，连接导线比较长等原因也会对结果产生一定的影响，故二者会有一定差距。风力发电机的现场监测结果比数值模拟结果小，但整体上具有相同的规律性，且风力发电机结构在5m/s的风速作用下，结构的应力都为负值，即风力发电机结构基本处于受压状态。
四、暴风荷载作用下风力发电机结构的受力分析
风力发电机正交是指风力发电机的风轮叶片与风向垂直，此时叶片受风荷载面积最大，风力发电机结构也最不安全；偏航是指当风速过大时，风力发电机结构的风机通过控制系统自动改变方向，使风轮叶片偏离风向，达到使整个结构受力最小的目的。
对风力发电机结构正交及偏航时沿高度的内力值变化曲线进行对比，如图4所示。
（a）塔身剪力 （b）塔身弯矩 圖4 风力发电机正交和偏航时沿塔身高度的内力值
由图4可以看出，暴风荷载（50年一遇设计风荷载）作用下，正交时风力发电机结构的最大剪力值和弯矩值比偏航时增大45.01%和51.6%，即正交时的风力发电机结构很容易发生强度破坏。根据日本规范计算其在50年一遇的设计风荷载作用下风力发电机结构的受力特点如下：
正交时，其弯矩、轴力、剪力最大值都发生在塔体底部，弯矩大小为17656kN·m，轴力大小为938kN，剪力大小为393kN，但由于底部塔壁厚度较大，其应力最大值并未发生于塔体底部，而是发生在离塔体底部高为31m处，其正应力为143MPa，轴应力为6MPa，剪应力为8MPa，故50年一遇风荷载作用下，风力发电机结构塔筒第一主应力的最大值为150Mpa，由于风力发电机结构所用钢材为Q345，此处板厚为0.012m，其抗拉和抗压强度设计值为310MPa，故其满足要求。
偏航状态下，根据日本规范计算结构在设计风荷载作用下的受力特点，其弯矩、轴力、剪力最大值都发生在塔体底部，弯矩大小为8536kN·m，轴力大小为938kN，剪力大小为216 kN，但由于底部塔壁厚度较大，塔筒应力最大值发生在离塔体底部约高为31m处，其正应力为63MPa，轴应力为6MPa，剪应力为4MPa，故结构第一主应力的最大值为70Mpa，其抗拉强度值为310MPa，故满足要求。
五、结论
（1）基于日本规范中提供的风力发电机结构计算方法，考虑了结构阻尼、风的湍流强度及阵风荷载等因素的影响，将风荷载转化为分布力的形式进行考虑，对风力发电机结构在常规风荷载作用时进行了有限元分析，得出其模拟结果与现场监测结果大部分相差在10%以内，且现场监测结果比数值模拟结果整体偏小。
（2）风力发电机在常规风荷载作用下发生的位置在离地面约31m。由图3（b）可知，其位移最大值为0.169m，小于结构的位移限值0.6944m。
（2）风力发电机结构在暴风荷载（50年一遇设计风荷载）作用下，正交时的最大剪力值和弯矩值比偏航时分别增大45.01%和51.6%，即正交时结构底部产生更大的弯矩和剪力，将很容易发生强度破坏，因此，结构偏航比结构正交的情况要更加安全，故在暴风作用下，为保证结构不受破坏，应使风力发电机暂停发电，采取偏航措施。
参考文献：
[1] Luong Van Binha， Takeshi Ishiharab， Pham Van Phuca，Yozo Fujinoa. A peak factor for non-Gaussian response analysis of wind turbine tower[J]. Journal of Wind Engineering.2008，96：2217.
[2] Hani M. Negm， Karam Y. Maalawi. Structural design optimization of wind turbine towers[J]. Computers and tructures.2000：649.
[3] Shigeo Yoshida. Wind Turbine Tower Optimization Method Using a Genetic Algorithm[J]. Wind Engineering.2009.07：453.
[4] N.Bazeos， G.D.Hatzigeorgiou. Static， seismic and stability analyses of a prototype wind turbine steel tower[J]. Engineering Structures， 2002（24）： 1015.
[5] Lin Y G， Li W， Cui B L， Liu H W， Wang C K. Research on the load of offshore wind turbine’s tower and foundation. Acta Energiae Solaris Sinica. 2009，7（30）：961.
【关键词】 风力发电机结构；现场监测；暴风荷载；正交和偏航；安全性能
一、前言
在外部风荷载作用下研究风力发电机结构抵御灾变能力的大小具有重要意义。风力发电机结构所处的环境非常复杂（一般为风力较大的山地或海中），经常会遇到一些重大灾害，如何保证结构不发生整体破坏是学者们一直在研究的问题。国内外学者[1]～[5]针对风荷载作用下风力发电机结构的动力响应做了大量研究，而在对风力发电机结构进行风荷载作用下的仿真模拟方面，我国的研究相对比较晚，研究风力发电机结构在复杂环境下的受力特性，对保证结构的安全性能，防止结构出现倒塌破坏有重要的意义。基于此，本文对风力发电机结构进行了受力计算，并进行了现场监测，并根据所用的钢材分析了结构的安全性能，得出了一些有益的开拓性结果。
二、工程背景和计算模型
2.1结构的有限元模型
本文利用大型有限元仿真软件对风力发电机结构进行模拟，塔顶高度为50m；机舱总重23t；风轮采用3个叶片，风轮直径为50m，叶片长度为24m，单个叶片重量为3t。塔体高度、塔筒壁厚及门洞几何尺寸均根据施工图纸设定如图2（a）所示。塔体的风轮叶片和轮壑均用三维实体进行模拟。结构的塔壁和叶片均采用shell63单元，机舱采用solid45单元，密度为7850Kg/m3，叶片设为刚性。塔体底部与基础固结，结构的有限元模型如图1所示。
图1 结构的几何图形和有限元模型
2.2常规风荷载作用下结构的受力分析
根据日本规范的计算方法可计算风力发电机结构在5m/s作用下的受力情况，对上部结构而言，将其总荷载平均分布于叶片及机舱上面，即叶片及机舱的面荷载为上部结构总荷载除以3个叶片及机舱的受力面积。对风力发电机结构进行加载，得出其在5m/s的风荷载作用下z方向的应力和位移云图分别如图3所示。
（a）应力云图 （b）位移云图
图2 风力发电机结构z方向的应力云图和位移云图
由图2（a）可知，风力发电机结构在5m/s的风速作用下，结构的应力都为负值，风力发电机结构基本处于受压状态。有限元软件计算得到的最大应力为11.4MPa，且本文根据日本规范方法计算的结构应力最大值为10.97MPa，二者相差3.7%，在误差允许范围之内。同时，其发生的位置在离地面约31m。由图3（b）可知，其位移最大值为0.169m，小于结构的位移限值0.6944m。
三、常规风荷载作用下风力发电机结构的现场监测
3.1现场监测概况
选择风力发电机结构的外侧的底部以及内部进行布点，开口处容易发生应力集中，应变和应力比较大，因此在开口处加密测点，在风力发电机的开口处布设了三个点。总计布设了10个监测点，外部布设8个点，内部布设2个点。应变监测的布点位置如图3所示。
图3 风力发电机监测点平面布置图
3.2监测结果与计算机模拟结果的对比分析
通过对风力发电机结构进行风荷载作用下的现场监测，并与本文数值模拟的结果进行对比，可以验证模拟结果的合理性，进而通过数值模拟进一步预测更大风荷载作用时结构的力学特性变化，明确恶劣台风等环境条件下风力发电机结构的力学性能。选取风力发电机每个监测点一分钟采集过程中的最大值作为每个监测点的应变值，根据有限元软件的模拟结果进行对比如表2所示。
表2 模拟应变与监测应变对比表
监测点 监测应变/（με） 模拟应变/（με） 相差比例/（%）
1 18.21 17.01 7.05%
2 17.32 13.03 32.92%
3 25.42 23.68 7.35%
4 19.56 17.84 9.64%
5 18.21 17.06 6.74%
6 16.02 15.03 6.59%
7 18.78 17.74 5.86%
8 25.25 22.41 12.67%
9 28.35 26.51 6.94%
10 25.54 23.32 9.52%
由表1可以看出應变模拟值和监测值相差不大，大部分相差在10%以内，结果也都在误差允许范围之内，故本文所用的计算方法是可行的。但也有各别监测点相差较大如2号监测点，这是因为计算机模拟结构与实际监测结构采样位置有一定的差距，而且监测仪器存在测量误差，连接导线比较长等原因也会对结果产生一定的影响，故二者会有一定差距。风力发电机的现场监测结果比数值模拟结果小，但整体上具有相同的规律性，且风力发电机结构在5m/s的风速作用下，结构的应力都为负值，即风力发电机结构基本处于受压状态。
四、暴风荷载作用下风力发电机结构的受力分析
风力发电机正交是指风力发电机的风轮叶片与风向垂直，此时叶片受风荷载面积最大，风力发电机结构也最不安全；偏航是指当风速过大时，风力发电机结构的风机通过控制系统自动改变方向，使风轮叶片偏离风向，达到使整个结构受力最小的目的。
对风力发电机结构正交及偏航时沿高度的内力值变化曲线进行对比，如图4所示。
（a）塔身剪力 （b）塔身弯矩 圖4 风力发电机正交和偏航时沿塔身高度的内力值
由图4可以看出，暴风荷载（50年一遇设计风荷载）作用下，正交时风力发电机结构的最大剪力值和弯矩值比偏航时增大45.01%和51.6%，即正交时的风力发电机结构很容易发生强度破坏。根据日本规范计算其在50年一遇的设计风荷载作用下风力发电机结构的受力特点如下：
正交时，其弯矩、轴力、剪力最大值都发生在塔体底部，弯矩大小为17656kN·m，轴力大小为938kN，剪力大小为393kN，但由于底部塔壁厚度较大，其应力最大值并未发生于塔体底部，而是发生在离塔体底部高为31m处，其正应力为143MPa，轴应力为6MPa，剪应力为8MPa，故50年一遇风荷载作用下，风力发电机结构塔筒第一主应力的最大值为150Mpa，由于风力发电机结构所用钢材为Q345，此处板厚为0.012m，其抗拉和抗压强度设计值为310MPa，故其满足要求。
偏航状态下，根据日本规范计算结构在设计风荷载作用下的受力特点，其弯矩、轴力、剪力最大值都发生在塔体底部，弯矩大小为8536kN·m，轴力大小为938kN，剪力大小为216 kN，但由于底部塔壁厚度较大，塔筒应力最大值发生在离塔体底部约高为31m处，其正应力为63MPa，轴应力为6MPa，剪应力为4MPa，故结构第一主应力的最大值为70Mpa，其抗拉强度值为310MPa，故满足要求。
五、结论
（1）基于日本规范中提供的风力发电机结构计算方法，考虑了结构阻尼、风的湍流强度及阵风荷载等因素的影响，将风荷载转化为分布力的形式进行考虑，对风力发电机结构在常规风荷载作用时进行了有限元分析，得出其模拟结果与现场监测结果大部分相差在10%以内，且现场监测结果比数值模拟结果整体偏小。
（2）风力发电机在常规风荷载作用下发生的位置在离地面约31m。由图3（b）可知，其位移最大值为0.169m，小于结构的位移限值0.6944m。
（2）风力发电机结构在暴风荷载（50年一遇设计风荷载）作用下，正交时的最大剪力值和弯矩值比偏航时分别增大45.01%和51.6%，即正交时结构底部产生更大的弯矩和剪力，将很容易发生强度破坏，因此，结构偏航比结构正交的情况要更加安全，故在暴风作用下，为保证结构不受破坏，应使风力发电机暂停发电，采取偏航措施。
参考文献：
[1] Luong Van Binha， Takeshi Ishiharab， Pham Van Phuca，Yozo Fujinoa. A peak factor for non-Gaussian response analysis of wind turbine tower[J]. Journal of Wind Engineering.2008，96：2217.
[2] Hani M. Negm， Karam Y. Maalawi. Structural design optimization of wind turbine towers[J]. Computers and tructures.2000：649.
[3] Shigeo Yoshida. Wind Turbine Tower Optimization Method Using a Genetic Algorithm[J]. Wind Engineering.2009.07：453.
[4] N.Bazeos， G.D.Hatzigeorgiou. Static， seismic and stability analyses of a prototype wind turbine steel tower[J]. Engineering Structures， 2002（24）： 1015.
[5] Lin Y G， Li W， Cui B L， Liu H W， Wang C K. Research on the load of offshore wind turbine’s tower and foundation. Acta Energiae Solaris Sinica. 2009，7（30）：961.