鄧樹斌，江一杭

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

對(duì)于薄璧受壓結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)往往成為其結(jié)構(gòu)破壞的主要表現(xiàn)形式，且失穩(wěn)載荷通常遠(yuǎn)小于強(qiáng)度破壞載荷，同時(shí)由于失穩(wěn)過程的突發(fā)性和強(qiáng)破壞性，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)往往帶來災(zāi)難性后果。因此，對(duì)薄璧受壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，提前預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的載荷條件及容易發(fā)生失穩(wěn)的區(qū)域，進(jìn)而進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況，避免工作中因失穩(wěn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象的發(fā)生，具有重要的指導(dǎo)意義。

作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件，風(fēng)機(jī)罩殼承擔(dān)著抵抗環(huán)境載荷的作用，為機(jī)組提供可靠運(yùn)行空間，保護(hù)機(jī)組免受外部環(huán)境干擾。罩殼能否正常安全工作，直接影響到機(jī)組的運(yùn)行情況。

機(jī)艙罩作為一種典型的薄璧結(jié)構(gòu)，在載荷作用下，結(jié)構(gòu)屈曲失效往往是其主要的破壞模式，即由于機(jī)艙罩剛度不足引起結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)艙罩的整體破壞。因此，對(duì)機(jī)艙罩進(jìn)行穩(wěn)定性分析以保證其剛度布置，確保機(jī)艙罩在設(shè)計(jì)載荷條件下能正常工作，對(duì)于保證風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行具有十分重要的工程意義。

本文以某兆瓦級(jí)機(jī)組機(jī)艙罩為分析對(duì)象，通過有限元方法詳細(xì)分析其在設(shè)計(jì)載荷下的穩(wěn)定性響應(yīng)，為該型號(hào)機(jī)艙罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了相關(guān)參考。

1 分析模型的建立

根據(jù)某兆瓦級(jí)機(jī)艙罩的幾何模型，利用分析軟件建立了機(jī)艙罩的有限元模型。因機(jī)艙罩為薄璧結(jié)構(gòu)，其厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其余兩個(gè)方向的尺寸，建模時(shí)采用二維平面單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于模型中的桿類結(jié)構(gòu)，采用一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行網(wǎng)格劃分，機(jī)艙罩各部分通過螺栓單元連接在一起。

機(jī)艙罩通過金屬轉(zhuǎn)接件連接到機(jī)架上，在有限元模型中，通過固定約束模擬機(jī)架對(duì)機(jī)艙罩的支撐作用。

2 設(shè)計(jì)載荷條件

機(jī)艙罩在工作過程中，除需承擔(dān)自身重量外，還要抵抗外部環(huán)境載荷的作用以及運(yùn)行維護(hù)等活動(dòng)載荷的作用。其中，作用在矩形截面上的風(fēng)載，各側(cè)面的載荷情況可按圖 1進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖1 風(fēng)載簡(jiǎn)化示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind load

機(jī)艙罩的設(shè)計(jì)載荷條件參照GL規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)置，包括恒載與活載的組合、恒載與風(fēng)載的組合。設(shè)計(jì)載荷工況如表 1。

表1 機(jī)艙罩設(shè)計(jì)載荷組合Tab.1 Calculated load combinations of nacelle

3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

采用有限元方法對(duì)機(jī)艙罩進(jìn)行穩(wěn)定性分析，各設(shè)計(jì)工況下機(jī)艙罩的主體屈曲模態(tài)及屈曲因子如圖2所示。

設(shè)計(jì)工況下，機(jī)艙罩的主體屈曲因子均大于 2.04，具有較大的安全裕度，滿足風(fēng)機(jī)規(guī)范對(duì)穩(wěn)定性的要求。在極限風(fēng)載作用下，機(jī)艙罩受風(fēng)面出現(xiàn)因受壓導(dǎo)致的褶皺失穩(wěn)；在極限活載作用下，機(jī)艙罩頂部出現(xiàn)受壓失穩(wěn)。失穩(wěn)區(qū)域均發(fā)生在加強(qiáng)筋之間的薄璧區(qū)域，該結(jié)果與薄璧屈曲理論相吻合，說明分析結(jié)果是可靠的。

圖2 機(jī)艙罩穩(wěn)定性分析云圖Fig.2 Cloud pictures of nacelle stability analysis

4 結(jié) 論

本文利用有限元方法，建立兆瓦級(jí)機(jī)艙罩的穩(wěn)定性分析模型，并根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范建立穩(wěn)定性分析載荷工況，通過對(duì)機(jī)艙罩進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到以下結(jié)論：

①在設(shè)計(jì)工況下，機(jī)艙罩的主體屈曲因子滿足規(guī)范的要求，機(jī)艙罩在設(shè)計(jì)載荷作用下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞；

②在壓力載荷作用下，機(jī)艙罩的失穩(wěn)區(qū)域主要發(fā)生在加強(qiáng)筋之間的薄璧殼體區(qū)域，優(yōu)化這些區(qū)域的剛度可顯著改善機(jī)艙罩的主體穩(wěn)定性；

③穩(wěn)定性分析可在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和判斷機(jī)艙罩的失穩(wěn)區(qū)域及失穩(wěn)載荷，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域并進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)提高產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用?！?/p>

［1］Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[M].Hamburg：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH，2010.

［2］沈真.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

［3］陳鐵云，沈惠中.結(jié)構(gòu)的屈曲[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1993.