塔架的有限元数值分析及可靠性验证

在完成塔架的设计以后，为了验证设计的可靠性、进一步优化结构设计，需要进行塔架的数值分析。这里介绍利用ANSYS有限元软件进行分析的方法和步骤。

1.塔架的静强度分析

建立有限元分析时，塔架需要进行简化处理：

1）不考虑塔架内部的附属结构等构件，可用等效质量代替。

2）在模型中建立法兰模型，但是不考虑法兰上的螺栓以及法兰之间的应力关系。

3）对于机舱、叶片和轮毂的模拟，可采用在塔架顶端创建一个质量单元节点，质量点的位置位于机舱、轮毂和叶片的重心上，质量为机舱、轮毂和叶片的质量并且对质量点三个方向X、Y、Z的转动惯量进行设置，转动惯量的大小为机舱轮毂和叶片的转动惯量在合重心位置。然后通过定义一个无质量刚性梁将质量单元节点与塔架顶部单元节点连接一起，这样可较好地考虑机舱轮毂和叶片质量及转动惯量对塔架模态的影响，塔架模型如图9-31所示。

4）单元的选择。塔筒选用Shell93，门洞选用solid95，无质量刚性梁选用MPC184，风轮和机舱选质量单元Mass21。

5）基础采用固结的方式。

分析在规定的载荷工况下的应力和变形，不超过规定的极限值。

2.塔架的固有频率

采用ANSYS有限元软件进行塔架的固有频率分析时，有限元建模过程与静力分析建模相似，考虑基础的对固有频率的影响时比不考虑基础的影响时要小，一般在5％以内。具体方法如下：

（1）建模

应注意模态分析只有线性行为是有效的，如果指定了非线性单元则应作线性处理。

（2）加载和求解

加载对于模态分析只有零位移约束是唯一有效地载荷。

指定分析类型：执行Main Menu｜Solutionl-Analysis Type-New Analysis，在对话框中选择分析类型为Modal。

模态分析设置：执行Main Menu｜Solutionl-Analysis Type-Analysis Options命令，在对话框中选择分析类型。在Number of modes to extact和Number of modes to expand输入所要提取的模态阶数和扩展模态。

求解：执行Main Menu｜Solution｜Current LS。

（3）扩展模态

执行Main Menu｜Solutionl｜Analysis Type｜ExpasionPass选择ExpasionPass。

执行Main Menu｜Solutionl｜Load step Opts｜ExpasionPass｜Single Expand｜ExpandModes，在对话框中输入扩展模态阶数。选择Calaculate elem results。

执行Main Menu｜Solutionl｜Load step Opts｜Output ctrls｜DB/Results Files，在对话框中选择Every substep。

执行执行Main Menu｜Solution｜Current LS。

（4）查看结果

执行Main Menu｜General Postproc｜Results Summary。

图9-31 塔架模型

3.塔架的抗震验算

抗震验算建议使用地震波瞬态动力分析，具体方法如下：

（1）建立地震波数据文件

按照需要需要分析的波的个数来建立文件个数，文件为（∗.txt）文件，注意文件的格式，可采用（e9.3，e11.3）的格式。第一列为时间，第二列为低着加速度。

（2）读入地震波数据

执行Utility｜Parameters｜Array Parameter｜Define｜Edit，单击“Add”按钮，令Par为文件名，Typ为Array，I，J，K=2，地震加速度个数，0。其他的地震波也按照同样方法输入。(www.xing528.com)

执行Utility｜Parameters｜Array Parameters｜Read From File读取地震波文件，文件格式为（e9.3，e11.3）。

（3）设置分析类型

执行Main Menu｜Solution｜Analysis Type｜New Analysis，在对话框中选择分析类型为transient，在第二个瞬态分析对话框中选择求解方法。

（4）求解，求解按下面命令流

（5）查看结果

执行Main Menu｜TimeHistPostpro｜Variable Viewer，选择需要控制的变量。

4.稳定性分析

ANSYS提供了两种屈曲分析方法，即非线性屈曲分析和特征值屈曲分析方法。特征值屈曲分析是一般的弹性屈曲分析方法，非线性屈曲分析方法比特征值屈曲分析更加精确，但是相对于特征值分析来说费时和计算量大等缺点。特征值屈曲分析的具体方法如下。

1）建立模型。

2）加载获得静力解。对于载荷加载一般施加单位载荷，这样计算出来的特征值就是屈曲临界载荷，如果不这样施加的可以施加一个较大的值，那么临界载荷为施加载荷与特征值的乘积。

3）获得特征值屈曲解。指定分析的类型：执行Main Menu｜Solution｜Analysis Type｜New Analysis，在对话框中选择分析类型为Eigen Buckling。

指定分析的选项：执行Main Menu｜Solution｜Analysis Type｜Anslysis options，选择特征值的提取方法和提取的特征值个数。ANSYS提供了两种方法即Subspace法即子空间迭代法和Block Lanczos法即分块的索兰斯法。一般来说对于子空间迭代法精度高但速度慢，分块的索兰斯法精度低但是速度快。

定义载荷步数：执行Main Menu｜Solution｜Load step Opts｜Output Ctrls｜Solu Printout。

扩展模态执行Main Menu｜Solution｜Load step Opts｜Expansionpass｜Single Expandmodes，选择模态阶数。

4）求解。执行Main Menu｜Solution｜Solve｜Current LS。

5）查看结果。屈曲载荷系数执行Main Menu｜General Postproc｜Result Summary。

显示屈曲模态形状执行Main Menu｜General Postproc｜Plot Result｜Deformed Shape。

5.塔架的疲劳分析

塔架疲劳分析可采用简化疲劳验证法和循环载荷谱的损伤累计法。在ANSYS分析中常应用后者，具体分析方法如下：

1）建模；

2）加载求解；

3）疲劳计算。

输入S-N曲线：执行Main Menu｜General Postproc｜Fatigue｜S-N Table

在对话框中输入循环次数和应力值。

建立位置、事件和载荷：执行Utility Menu｜Parameters｜Scalar Parameters在对话框中输入节点位置。

执行Main Menu｜General Postproc｜Fatigue｜Stress Locations在对话框中输入位置编号和节点名称。

执行Main Menu｜General Postproc｜Fatigue｜Store Stresses｜From rst File在对话框中输入节点名称和事件编号以及位置编号。

执行Main Menu｜General Postproc｜Fatigue｜Store Stresses｜Specifiled Val在对话框中输入节点名称和时间编号和事件位置编号。

设置时间重复次数：执行Main Menu｜General Postproc｜Fatigue｜Assign Events在对话框中输入需要计算的事件个数、循环次数和事件名称。

疲劳计算：执行Main Menu｜General Postproc｜Fatigue｜Calculate Fatig

在计算完每种工况作用下疲劳寿命系数都小于1.0，说明塔架的危险点的疲劳强度满足要求。