3 风力发电机塔筒焊缝疲劳强度的有限元分析

    针对风力发电制造领域关注的各种线性、非线性、接触、模态等静力和动力学计算问题，ANSYS已针对性的提供了相应的分析解决方案。本文采用ANSYS对风机塔筒进行有限元分析。

    有限元分析中主要采取两种建模方案来分析对比计算结果，即实体单元和壳单元建模。

3.1 有限元实体单元模型的建立

3.1.1 模型的简化

    根据塔筒的结构特点，在建立塔筒整体有限元模型时需进行适当的简化处理，以减小模型规模，提高计算分析的效率和精度。根据塔筒的实际结构以及ANSYS软件的分析特点作了如下简化:简化连接法兰处的螺栓连接，各连接法兰的螺栓孔以及倒角、圆角等特征均删除；连接法兰之间的螺栓连接和焊缝连接简化为绑定约束(Tie);在变截面的焊接处，以截面变化区域边缘作为焊缝扇形区域的弧面，扇形另外两边为与塔筒体交接的边缘，如图4。

3.1.3 单元类型和网格划分

    上塔筒壁均划分为两层六面体单元，法兰与塔筒的连接部位同样划分为两层六面体单元，所有零部件有限元模型的单元类型为8节点六面体缩减积分单元(C3D8R)。在网格划分时，上段塔筒共三段，取其焊缝两圈，并且要独立对其划分网格，网格层数要在三层以上；焊缝两侧筒体切块，网格分3层，并且呈现渐进变密的划分效果；塔筒主体网格应较为稀疏;将各焊缝两侧切块筒体建立set，以便对计算结果进行后处理。如图5。

3.1.4 边界条件及载荷条件

    模型只建立上段塔筒，因此边界条件为固定上段塔筒底部;在上段塔筒顶部建立耦合点，如图6，将疲劳载荷加载在耦合点上，通过耦合点将载荷间接作用在塔筒上。

    上段塔筒有限元模型如图7。

3.2 实体单元模型计算结果

    通过施加表1所示的疲劳载荷，得到如图8的疲劳应力计算结果，其中筒体最大应力发生在上法兰与筒体交界处，为90.61MPa，两圈焊缝的最大应力分别为35.72MPa和37.76MPa，如图9和图10。

3.3 有限元壳单元模型的建立

    为了研究不同单元对焊缝疲劳强度的影响，并且考虑到塔筒本身是薄壁长筒状结构，属于薄壳结构的一类，因此由必要使用壳单元对塔筒焊缝进行疲劳强度计算，壳单元建模思想同上述上段塔筒模型一致。在壳单元建模中需要注意几点：

    (1)根据法兰结构本身特点，上下法兰采用实体更为合理；

    (2)法兰与筒体壳结构绑定（tie）连接，筒体以内表面为基准抽壳；