风机塔筒焊缝的疲劳应力计算方法对比研究

0 引言

    风力发电机塔架的主要功能是支撑顶部的风电系统，是风力发电机组的主要承重部件。塔架一般分为三类：拉索式塔架、桁架式塔架、锥筒式塔架。锥筒式塔架又可分为钢制塔架、钢混组合塔架和钢筒夹混塔架。本文所研究的塔筒就是锥筒式塔架中的钢制塔架，文中称为塔筒。塔筒共由上、中、下三段组成，每段之间以法兰、螺栓的连接形式相连，法兰和各段塔筒之间又以焊接的方式相连;每段塔筒分别由多个不同截面段组成，不同截面段间以焊接方式相连并保证塔筒外表面的平齐。

    风电机组运行在随机变化的自然环境中，受力情况非常复杂，主要载荷包括风载荷、机组自重以及由机组重心偏移引起的偏心弯矩等。在这些载荷的共同作用下，塔筒的焊缝连接处会出现较大的应力集中，从而最易引起疲劳破坏，影响塔筒的综合寿命。因此对塔筒进行疲劳载荷下的疲劳强度分析是必要的，这不仅为风电机组的疲劳分析和安全运行及进一步优化设计提供了理论依据，也为其他行业的类似焊接结构的疲劳分析提供了可参考的依据。因此本文用工程分析方法和有限元分析方法对塔筒焊缝疲劳应力进行计算分析，对不同分析方法的计算结果进行比较。

1 塔筒焊缝疲劳强度的工程分析方法

    塔筒有12节焊缝(如图1)，本次计算只截取上塔筒的两条焊缝即第10圈和第11圈焊缝为研究对象。焊缝截面上各力的物理意义如图2,塔筒第10和第11圈焊缝截面的疲劳载荷见表1。

    表1 塔筒第10圈和第11圈焊缝截面疲劳载荷

2.1 焊缝截面应力的计算

    塔筒在外力的作用下，焊缝截面上共作用有压缩正应力、弯曲正应力、弯曲剪应力、扭转剪应力。

    (4)截面各应力和总应力

    应用以上公式，将两截面参数代入，分别求出疲劳载荷作用下的压缩正压力、弯曲正应力、弯曲剪应力、扭转剪应力。总正应力和总剪应力的计算公式如下。各计算应力值见表2。

    表2 塔筒焊缝第10圈和第11圈疲劳载荷下的应力值

2.2 焊缝截酿力集中雜SCFtapef

    焊缝焊接情况如图3所示

    图3 焊缝示意图

    将截面参数代入公式，得两截面的应力集中系数见表3。

    表3 截面应力集中系数