钢筋混凝土风力发电塔风致动力响应分析

　　1 引言
　　随着风电机组向大型化、海洋化发展，风电机组钢塔因自身局限性已难以满足工程需要，诸多敏锐人士已将目光投向钢筋混凝土风电机组塔筒。本课题组基于ABUQUS 软件构建了预应力钢筋混凝土风力发电高塔精细化有限元模型，完成了同时考虑材料与几何非线性的结构分析，并通过实验验证了结构分析的有效性。尽管所实现的结构分析仅限于塔筒，但是课题组合理地考虑了作用在叶片与机舱上的气动荷载。值得指出，课题组仅限于拟静力分析，而未考虑动力效应。事实上，由于风电机组独特的结构形式与运行方式，其风致动力响应分析要远比一般高耸结构复杂。
　　综上，钢筋混凝土风力发电高塔研究尚存在三大局限性：第一，结构建模多为局部建模，未实现“叶片－机舱－塔筒－基础”一体化建模；第二，未考虑叶片旋转效应对风场结构的影响；第三，尚未实现结构风致动力响应分析。有鉴于此，为了正确分析钢筋混凝土风力发电高塔的风振动力响应，本文首先完成了1.25MW 钢筋混凝土风力发电高塔设计，建立了风电机组“叶片－机舱－塔筒－基础”精细化有限元模型。然后，基于随机过程的随机函数描述，提出了随机Fourier 谱与旋转Fourier 谱物理模型，依据随机函数法实现了风电机组风场模拟。最后，以大型有限元分析软件ANSYS 为平台，完成了钢筋混凝土风力发电高塔风致动力响应分析，并与风力发电钢塔进行了对比。
　　2 一体化有限元模型
　　所谓风电机组一体化有限元模型，是指将桨叶、机舱、塔体和基础同时建模，以获取准确的结构动力特性，模拟不同构件（尤其是桨叶与塔体）之间的相互耦合作用，并反映结构应力集中、局部屈曲等细部特征。本文以典型的1.25MW 三桨叶变桨距风电机组为研究载体，建模平台为大型通用分析软件ANSYS。