钢筋混凝土风力发电塔风致动力响应分析

　　风电机组风轮直径为64.35m，三片桨叶具有循环对称性。鉴于桨叶结构异常复杂，本文采用刚度等效原则，构建了变刚度壳体（SHELL181）叶片模型。机舱长9.8m，宽3.22m，高3.01m，质量68.5×103kg，将机舱及其内部构件视为一个整体，借助三维梁单元（BEAM189）来模拟即可达到很高的精度。钢筋混凝土风力发电塔高66.35m，塔底直径3.9m，塔底厚度0.3m，塔顶直径2.55m，塔顶厚度0.2m ；混凝土标号C30，弹性模量3×1010Pa，泊松比0.2 ；钢筋为HRB335，弹性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，可采用复合壳单元（SHELL181）对塔筒进行有限元建模。复合壳单元可用来模拟由多层复合材料所组成的结构，定义该单元时需要给出每层材料的属性和厚度。可将塔筒沿壁厚方向分为5 层，即内外混凝土保护层、内外纵向受力钢筋层和两层钢筋之间的混凝土层。混凝土层取实际厚度，结构中离散的钢筋则按照面积等效原则弥散成厚度不变的钢筋层，层与层之间按照实际结构顺序排列（图1）。在建模过程中，将塔身分成4 段，每段根据塔身的实际配筋情况赋以具有不同厚度的钢筋层。自下而上四段的纵向钢筋总配筋量（包括外排纵向钢筋和内排纵向钢筋）分别为78716mm2、64468mm2、51516mm2 和26788mm2。塔底采用10×10×1.80m3 的圆形钢筋混凝土扩展基础，借助混凝土实体单元Solid65 进行模拟。基础之下土体的泊松比0.3，密度2100kg/m3，剪切模量5.2×108Pa。在建模过程中，存在着叶片、机舱、塔筒、基础四个基本构件，不同构件之间的网格密度因为拓扑形状各异而难以达到完全一致。因此，不同构件之间的连接成为有限元建模的难点。本文采用多点约束单元（MPC184）来实现不同构件之间的连接，完成了风力发电高塔系统“叶片－机舱－塔筒－基础”一体化建模（图2），有效地解决了构件之间的滑移问题。根据效率与精度均衡的原则，钢筋混凝土风力发电塔划分了1608 个单元。

图1 钢筋混凝土塔横截面分层图

图2 风电机组一体化有限元模型

　　3 风场模拟
　　风电机组风速场可分为两部分：桨叶风速场和塔体风速场。事实上，无法也无需对模型中所有点进行风场仿真。在本文中，对风电机组整体结构进行离散，所有叶片均等效为3 个均匀分布的集中质点，一共为9 个集中质点。塔筒（机舱）离散为非均匀分布的6 个集中质点，各点的具体位置见图3。等效集中质点为动力计算时需要输入风速时程的计算点，本文主要进行这些点上的风速时程模拟。