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摘要：塔架是风电机组中最为重要的承载部件，为验证塔门部位结构的合理性，用有限元软件HyperMesh对塔门实体模型进行规则的网格划分并进行强度分析。结果表明：各极限载荷工况下，塔门部位的最大应力值小于材料的许用应力，达到了最初的设计要求，也为开发相关系列产品提供了可靠数据。
关键词：风电机组；塔门；有限元； HyperMesh；强度分析
风力发电机组随着风电技术的飞速发展装机容量也日益增大，塔筒和底座在承载外部载荷方面都有了新的要求，风机塔架及相关零部件的安全问题变得尤为突出。风电机组塔架受力比较复杂，除承受自身重力外，还要支撑机舱及其内部零部件的重量，这些外载通过连接在塔架顶部的偏航轴承作用在塔架顶部，通过塔架自身传递到塔架底部的地基上，而塔架最薄弱的环节无疑就是塔架底部的塔门及其周边部位，因此采用有限元法并借助有限元分析软件对塔门部位进行强度校核，可较准确地计算出各极限载荷工况下，塔门部位的应力阀值及位移变形。
1.静态分析的数学模型
风电机组塔架的结构设计，必须要考虑多方面因素的影响，如顶部机舱，轮毂，叶片等部件的自身重量。塔架的合理设计必须使得各部位在极限载荷工况下，满足自身材料的静强度要求即塔架最大应力小于材料的许用应力，尤其是塔门位置的特殊结构形式。对塔架进行静强度分析计算，可预判出塔架的结构设计能否承受各极限载荷。线性结构静态分析总的等效方程为：
2.有限元模型的建立
对于塔门的有限元分析就是将塔门部位的物理原型建成近似的有限元模型。HyperMesh软件本身的实体建模功能有限，与其他专业的三维绘图软件相比要差一些，但均与其他CAD软件都有良好的接口，因此分析中的塔门模型采用Pro/e进行三维实体建模，然后导入HyperMesh将塔门部位的模型手动划分为规则的六面体网格。
在对塔门部位实体建模时，在保证所需精度的前提下，省略对塔门整体刚度作用较小的特征结构。塔门部位的材料选为低合金高强度结构钢Q345E。
3.约束与载荷
塔门部位的强度分析，其外部的边界条件主要是风轮叶片作用在塔架顶部的外部载荷，风机顶部各零部件自身重量和塔底的固定约束。根据塔架与地基的安装工艺，塔架与地基上部法兰之间是通过螺栓固定连接，两者间不能有任何的滑移，因此极限强度分析时，对塔架底部施加全约束，模型如图1所示。
分析中所施加的极限载荷是依据国际电工委员会IEC61400指定的载荷工况计算得到，安全系数取1.35。载荷计算过程中已将各零部件重量等多方面因素叠加在一起输出，最后得出塔顶处的极限工况载荷值，最后通过塔顶中心处的锥形MPC刚性梁单元将载荷传递到塔门附近区域。
4.塔门的强度校核
依据所建塔门有限元模型，并利用HyperWorks作为有限元分析平台，对塔门进行极限强度分析，得出塔门在承受极限载荷状态下的位移值和应力阀值分析云图如图2所示。
塔门部位的材料是Q345E，根据中国船级社风力发电机组规范，取材料的安全系数γm=1.2，材料的屈服极限 =325MPa，其许用应力[ ]= /γm，从而得：[ ]=270.8MPa，故：塔门最大应力 =146.9MPa<[ ]，安全系数S=270.8/146.9=1.84，塔门的强度满足设计要求，故塔门都具有足够的强度。
5.结论
塔门是风电机组塔架结构中相对薄弱的环节，对其进行强度分析和校核，是十分必要的。对分析后得到的数据进行后处理，利用计算机可准确直观地描述塔门及周边区域的应力应变情况，得出应力和应变分布云图。通过此次分析验证了塔架设计在结构上的可靠性，也为其他机型塔门部位的设计提供了参考依据。
参考文献：
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M]：第八版.北京：高等教育出版社，2006：68-69.
[2]王昭甫.膜片联轴器的特性及其应用[J].舰船科学技术，1997.
关键词：风电机组；塔门；有限元； HyperMesh；强度分析
风力发电机组随着风电技术的飞速发展装机容量也日益增大，塔筒和底座在承载外部载荷方面都有了新的要求，风机塔架及相关零部件的安全问题变得尤为突出。风电机组塔架受力比较复杂，除承受自身重力外，还要支撑机舱及其内部零部件的重量，这些外载通过连接在塔架顶部的偏航轴承作用在塔架顶部，通过塔架自身传递到塔架底部的地基上，而塔架最薄弱的环节无疑就是塔架底部的塔门及其周边部位，因此采用有限元法并借助有限元分析软件对塔门部位进行强度校核，可较准确地计算出各极限载荷工况下，塔门部位的应力阀值及位移变形。
1.静态分析的数学模型
风电机组塔架的结构设计，必须要考虑多方面因素的影响，如顶部机舱，轮毂，叶片等部件的自身重量。塔架的合理设计必须使得各部位在极限载荷工况下，满足自身材料的静强度要求即塔架最大应力小于材料的许用应力，尤其是塔门位置的特殊结构形式。对塔架进行静强度分析计算，可预判出塔架的结构设计能否承受各极限载荷。线性结构静态分析总的等效方程为：
2.有限元模型的建立
对于塔门的有限元分析就是将塔门部位的物理原型建成近似的有限元模型。HyperMesh软件本身的实体建模功能有限，与其他专业的三维绘图软件相比要差一些，但均与其他CAD软件都有良好的接口，因此分析中的塔门模型采用Pro/e进行三维实体建模，然后导入HyperMesh将塔门部位的模型手动划分为规则的六面体网格。
在对塔门部位实体建模时，在保证所需精度的前提下，省略对塔门整体刚度作用较小的特征结构。塔门部位的材料选为低合金高强度结构钢Q345E。
3.约束与载荷
塔门部位的强度分析，其外部的边界条件主要是风轮叶片作用在塔架顶部的外部载荷，风机顶部各零部件自身重量和塔底的固定约束。根据塔架与地基的安装工艺，塔架与地基上部法兰之间是通过螺栓固定连接，两者间不能有任何的滑移，因此极限强度分析时，对塔架底部施加全约束，模型如图1所示。
分析中所施加的极限载荷是依据国际电工委员会IEC61400指定的载荷工况计算得到，安全系数取1.35。载荷计算过程中已将各零部件重量等多方面因素叠加在一起输出，最后得出塔顶处的极限工况载荷值，最后通过塔顶中心处的锥形MPC刚性梁单元将载荷传递到塔门附近区域。
4.塔门的强度校核
依据所建塔门有限元模型，并利用HyperWorks作为有限元分析平台，对塔门进行极限强度分析，得出塔门在承受极限载荷状态下的位移值和应力阀值分析云图如图2所示。
塔门部位的材料是Q345E，根据中国船级社风力发电机组规范，取材料的安全系数γm=1.2，材料的屈服极限 =325MPa，其许用应力[ ]= /γm，从而得：[ ]=270.8MPa，故：塔门最大应力 =146.9MPa<[ ]，安全系数S=270.8/146.9=1.84，塔门的强度满足设计要求，故塔门都具有足够的强度。
5.结论
塔门是风电机组塔架结构中相对薄弱的环节，对其进行强度分析和校核，是十分必要的。对分析后得到的数据进行后处理，利用计算机可准确直观地描述塔门及周边区域的应力应变情况，得出应力和应变分布云图。通过此次分析验证了塔架设计在结构上的可靠性，也为其他机型塔门部位的设计提供了参考依据。
参考文献：
[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M]：第八版.北京：高等教育出版社，2006：68-69.
[2]王昭甫.膜片联轴器的特性及其应用[J].舰船科学技术，1997.