吉亮

風(fēng)能作為一種具有巨大開(kāi)發(fā)潛力的可再生能源，近年來(lái)實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。為了追求更高的風(fēng)能利用系數(shù)，目前對(duì)風(fēng)電機(jī)組的研究主要集中在提高葉輪氣動(dòng)性能，針對(duì)機(jī)組其他承載部件的研究相對(duì)較少，忽視了機(jī)組重要承載部件對(duì)整機(jī)可靠性的影響。以塔筒為例，其作為重要的承載部件，承受著機(jī)艙和葉輪的重力載荷，以及葉輪和自身的推力載荷。然而，近年來(lái)風(fēng)電機(jī)組倒塌事件時(shí)有發(fā)生。因此塔簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的可靠性能對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

針對(duì)塔筒的強(qiáng)度問(wèn)題，目前的研究對(duì)象主要集中于塔簡(jiǎn)門(mén)洞、塔簡(jiǎn)法蘭、法蘭連接螺栓等關(guān)鍵部件。較典型的研究包括：塔簡(jiǎn)門(mén)洞形狀參數(shù)對(duì)塔簡(jiǎn)門(mén)洞周?chē)鷳?yīng)力的影響：針對(duì)塔簡(jiǎn)門(mén)洞的綜合工程算法與有限元法的屈曲分析方法：相較于傳統(tǒng)厚型法蘭鋼材用量更少、加工難度更低的反向平衡法蘭：法蘭連接螺栓的疲勞特性。這些研究都是通過(guò)提高部件的強(qiáng)度，來(lái)減少塔筒失效倒塌的可能性，不能保證在塔簡(jiǎn)部分區(qū)域失效之后維修人員有足夠的時(shí)間發(fā)現(xiàn)失效區(qū)域，并對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，從而避免塔簡(jiǎn)倒塌事件的發(fā)生。

基于此，本文將航空工業(yè)中的“失效一安全”（結(jié)構(gòu)在部分區(qū)域失效之后，不發(fā)生災(zāi)難性破壞事件）理念引入到風(fēng)電機(jī)組塔簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)中，提出一種具有失效一安全性能的鋼構(gòu)式風(fēng)電機(jī)組塔架概念設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化列式

結(jié)構(gòu)優(yōu)化按照層次可分為三類(lèi)：拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化。尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化作為十分成熟的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，但是一般只在結(jié)構(gòu)后期設(shè)計(jì)階段應(yīng)用，不能對(duì)結(jié)構(gòu)整體的布局進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化空間有限。而拓?fù)鋬?yōu)化作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，因其能在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段就給出一個(gè)很好的傳力路徑，近年來(lái)也逐步在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中得到推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化列式如式（1）所示。

式中，x為單元相對(duì)密度向量;c為柔順度;vf為目標(biāo)體積分?jǐn)?shù);K為整體剛度矩陣;u為節(jié)點(diǎn)位移矢量;F為節(jié)點(diǎn)力矢量;Xmin為單元最小相對(duì)密度;NE為設(shè)計(jì)區(qū)域的單元總數(shù)。

失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化方法，通過(guò)事先假設(shè)失效區(qū)域，將每一個(gè)失效區(qū)域作為一種失效模式，在分析的時(shí)候認(rèn)為該部位的材料不存在，優(yōu)化列式如式（2）所示。其以各失效模式下的最大柔順度值最小化為優(yōu)化目標(biāo)、材料體積為約束，提高結(jié)構(gòu)在任意失效模式下的結(jié)構(gòu)剛度，從而保證結(jié)構(gòu)具有良好的失效一安全性能。為了方便在優(yōu)化過(guò)程中求取敏度參數(shù)，采用如式（3）的k次方包絡(luò)函數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行包絡(luò)。塔筒優(yōu)化程序與模型

為獲得具有失效一安全性能的塔架結(jié)構(gòu)，采用失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。現(xiàn)有商業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件中，僅OptiStruct具有失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化功能。但是用戶(hù)不能夠自己定義失效區(qū)域，且要求用戶(hù)計(jì)算機(jī)處理器的核心數(shù)量大于失效模式數(shù)量。因需要根據(jù)塔架的受力特點(diǎn)定義失效區(qū)域，且失效模式數(shù)量也遠(yuǎn)大于工作計(jì)算機(jī)處理器的核心數(shù)量，故需要自行開(kāi)發(fā)失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化程序。本文基于Ansys強(qiáng)大的有限元分析能力和良好的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境，以Ansys為敏度計(jì)算的黑箱子，開(kāi)發(fā)了塔架結(jié)構(gòu)的失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化程序。其優(yōu)化流程如圖1所示，主要分為兩個(gè)部分，第一部分為Matlab調(diào)用Ansys讀取網(wǎng)格基本信息，為優(yōu)化迭代做好準(zhǔn)備，第二部分為優(yōu)化迭代。

失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化在每一個(gè)迭代步都需要對(duì)每一種失效模式進(jìn)行有限元分析，總的有限元分析次數(shù)多達(dá)幾千次。根據(jù)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力以及可以獲得的塔架載荷數(shù)據(jù)，本文選取了某一規(guī)模較小的風(fēng)電機(jī)組塔架作為研究對(duì)象，建立如圖2（a）所示棱柱殼體模型，模型高度49.3m，底部寬度9.6m，頂部寬度5.6m，殼體厚度30mm。完成網(wǎng)格劃分的模型如圖2（b）所示，總單元數(shù)量為92492，總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為92753，共設(shè)置64種失效模式，除了頂部綠色區(qū)域，每一個(gè)色塊都代表了一種失效模式，在對(duì)應(yīng)的失效模式下該區(qū)域材料被去除。為了圖示的簡(jiǎn)潔，在圖2（b）上僅標(biāo)注了底部三層失效模式的編號(hào)。模型的邊界條件為：固定底部所有自由度，頂部受到風(fēng)電機(jī)組傳遞過(guò)來(lái)的阻力Fx、重力Fz、彎矩My，力的大小如表1所示。優(yōu)化結(jié)果

考慮到風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際工作中載荷方向會(huì)發(fā)生改變，在優(yōu)化過(guò)程中通過(guò)平均每個(gè)面單元的敏度參數(shù)，強(qiáng)制棱柱四個(gè)面具有相同的結(jié)構(gòu)，同時(shí)每個(gè)面的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)。整個(gè)塔筒模型均作為優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，優(yōu)化體積分?jǐn)?shù)約束為0.45，材料彈性模量為210000MPa，泊松比為0.3。采用非失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化獲得的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，采用失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得的結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。由圖可知，通過(guò)失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得的塔架結(jié)構(gòu)相較于非失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化，部件尺寸變得更小，部件數(shù)量變得更多，在某一區(qū)域出現(xiàn)失效后，結(jié)構(gòu)的傳力路徑不會(huì)完全遭到破壞，仍然能夠提供支撐。失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化獲得的塔架結(jié)構(gòu)在直角邊旁增加了兩根縱向的部件，因此，在直角處的部件被破壞之后仍然能夠由旁邊的部件承受載荷。非失效一安全和失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化的柔順度值如表2所示，二者在部分區(qū)域失效之后的柔順度如圖4所示。雖然采用失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化在結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)下柔順度值有一定的提升，但是各失效模式下的最大柔順度值降低了許多，提高了塔架的失效一安全性能。無(wú)論是從最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。還是柔順度值都可以發(fā)現(xiàn)塔架頂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)塔架的失效一安全性能影響相對(duì)較小。

為了考察不同底部寬度情況下拓?fù)錁?gòu)型是否相似，在保證材料用量一致的情況下，分別對(duì)底部寬度為11.6m、7.6m的塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)浞治?，獲得的拓?fù)錁?gòu)型如圖5所示。由圖可知，不同的底部寬度獲得的拓?fù)錁?gòu)型類(lèi)似，均在四個(gè)角落增加了兩根縱向的部件，以保證直角處縱向結(jié)構(gòu)遭到破壞以后仍然能夠由旁邊的部件承受載荷，提高了塔架結(jié)構(gòu)的失效一安全性能。

結(jié)論

為了保證風(fēng)電機(jī)組塔架在部分區(qū)域破壞之后仍然能夠支撐起整個(gè)風(fēng)電機(jī)組，不發(fā)生災(zāi)難性的事故，本文基于失效一安全拓?fù)鋬?yōu)化方法，以風(fēng)電機(jī)組在各失效模式下的最大柔順度值最小化為目標(biāo)，完成了一種具有失效一安全性能的風(fēng)電機(jī)組鋼構(gòu)塔架概念設(shè)計(jì)。該塔架結(jié)構(gòu)通過(guò)在直角處增加額外的縱向部件提高了塔架的失效一安全性能，為設(shè)計(jì)具有高失效一安全性能的風(fēng)電機(jī)組塔架提供了一個(gè)新思路。限于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力以及可以獲得的塔架載荷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文僅選取了某一規(guī)模較小的風(fēng)電機(jī)組塔架作為研究對(duì)象（僅考慮了塔架的剛度性能，塔架的強(qiáng)度、屈曲以及各部件連接處的疲勞作為塔架的重要校核項(xiàng)目，均未在優(yōu)化過(guò)程中給予考慮，這些都將作為今后的研究重點(diǎn)），但是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)受力的相似性，相信經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究驗(yàn)證，可以將該結(jié)構(gòu)與方法推廣至大型風(fēng)電機(jī)組塔架上。