基于不同材料的大型风电机舱罩研究.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation502023 年 第 18 期文章编号：2095-6835（2023）18-0050-03基于不同材料的大型风电机舱罩研究王 瑞1，2，张 丹1，杨富昭1（1.四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000；2.四川省高温合金切削工艺技术工程实验室，四川 德阳 618000）摘要：首先提出了目前主流的大型风电机组非金属复合材料和金属材料机舱罩的设计制造方法，以及基于这 2 种材料的强度失效准则。并以 4 MW 风力发电机组机舱罩为例，对比了 2 种不同材料机舱罩的设计方案和强度分析结果，最后总结了 2 种不同材料机舱罩优缺点和选取原则。关键词：风力发电机组；机舱罩；设计制造；强度中图分类号：TM75文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.015风力发电机组机舱罩壳作为风力发电机组的重要防护结构，具有以下作用：防护作用。可保证风力发电机组在恶劣的气象条件下正常工作，保护内部设备和作业人员不受风沙、雨雪、盐雾、紫外线辐射等外部因素的侵害。隔噪作用。隔绝风力发电机组内部设备（如齿轮箱、发电机）运转时的噪声，防止噪声影响到风机周围的居民或牲畜。防污作用。防止机舱内部的油脂泄漏到机组外部，污染环境。降低风阻。机舱罩壳设计形状规则、表面平整，可有效降低风通过时的阻力。美化外观。机舱罩可美化风机的外观，另外罩壳外壁还可喷涂机组的标识，增加了机组的辨识性。由于风力发电机组机舱罩长期遭受自然界及外界环境的侵袭，故对其强度的要求比较高，同时要有耐候性、抗腐蚀性、抗温差性、抗老化性、抗疲劳性、抗紫外线辐射等性能，除此之外，考虑到整个风电机组的承重，要求机舱罩质量轻、强度高、承载能力大。因此风力机组机舱罩材料方向的研究与应用已得到广泛的关注。目前主流的风电机舱罩材料有非金属复合材料和金属材料 2 种1-2。这 2 种材料在设计制造和强度分析、生产成本上有很大的不同。1非金属复合材料机舱罩1.1非金属复合材料机舱罩设计制造方法随着复合材料应用领域的发展，复合材料工业得到迅速发展，非金属复合材料机舱罩主要由实心层合板壳体和结构加强筋组成。实心层合板由不饱和聚酯树脂和玻璃纤维增强材料构成，结构加强筋一般采用矩形空心断面结构的玻璃纤维层压板材料。非金属复合材料机舱罩常用的成型工艺为手糊成型工艺，机舱罩的制造工艺流程为：加工原模模具制造模具打磨罩壳制造。1.2非金属复合材料机舱罩失效准则1.2.1基本假设为确定复合材料层合板壳单元的刚度，基于经典层合板理论计算复合材料板上的作用力与结构响应之间的关系，需做如下假设：层合板的各单层粘接牢固，层间不产生滑移；层合板是薄板，忽略z，各单层按平面应力状态分析；层合板弯曲变形在小挠度范围，变形前垂直于中面的直线在变形后仍保持直线，并垂直于中面，忽略了垂直于中面的平面内剪应变，即xz=yz=0，且该直线的长度不变，即z=0。1.2.2复合材料最大应力失效准则复合材料是正交各向异性材料，其纵向强度与横向强度往往不一样3，而且许多材料的拉伸强度和压缩强度也不相同，剪切强度和单轴强度之间又没有一定的关系。因此，在平面应力状态下单层板的基本强度指标有 7 个，如表 1 所示。表 1平面应力状态下单层板的基本强度指标数学表示常用符号含义XtTX沿 X 轴的拉伸强度XcCX沿 X 轴的压缩强度YtTY沿 Y 轴的拉伸强度YcCY沿 Y 轴的压缩强度S12SXYXY 平面内剪切强度S23SYZYZ 平面内剪切强度S31SXZXZ 平面内剪切强度最大应力准则为：XZxzYZyzXYxyYxYyXxXxISSSCTCTF，-基金项目四川工程职业技术学院 2021 年院级科研项目（编号：YJ2021KJ-16）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期511.2.3材料强度及安全系数要求在采用最大应力准则下，再考虑材料的安全系数，根据 GL 2010 规范 5.5.2.3 要求4，可计算出纤维拉伸纤维间失效时的总安全系数Ma为：410iiaMMaC（1）式（1）中，M0、Cia（i=1，2，3，4）的取值详如表 2 所示。表 2材料安全系数安全系数名称安全系数值常规安全系数M01.35老化影响系数 C1a1.35温度影响系数 C2a1.1湿法成型系数 C3a1.2后固化影响系数 C4a1.0机舱罩壳体材料一般选用手糊纤维毡 M300 和手糊纤维布 W600，材料具体参数如表 3 所示。表 3材料参数材料纤维方向杨氏模量E1/MPa纤维法向杨氏模量E2/MPa剪切模量 G12/MPa泊松比密度/（kgm-3）厚度 T/mm纤维毡 M3009 2220.31 6800.66纤维布 W60022 23722 2375 0000.31 6800.54预埋件210 0000.37 85010.00balsa 木35351050.315010.00其中手糊纤维毡 M300 的拉伸强度为 115 MPa，手糊纤维布 W600 的拉伸强度为 332 MPa。那么这 2 种材料的许用强度如下。纤维毡 M300：MPa 48MHMHMab。手糊纤维布 W600：MPa 138WHWHMab。2金属材料机舱罩2.1金属材料机舱罩设计制造方法金属材料机舱罩主要由金属蒙皮与金属框架组成，材料采用普通的碳钢材料。金属材料机舱罩的制造工艺流程为：板材切割下料点焊定位整体预装配在预装配状态实施满焊接无损探伤、校形防腐处理罩壳整体装配。2.2金属材料机舱罩失效准则金属机舱罩的壳体与框架材料一般选用最常用的碳素结构钢 Q235B，厚度在 16 mm 以下，强度为235 MPa5，根据 GL 2010 规范 5.3.2.1 要求，材料本身的安全系数 1.14，材料许用应力 213 MPa。3机舱罩设计分析案例以 4 MW 风电机组为例，分别对 2 种不同材料的机舱罩进行设计与强度分析。3.1机舱罩设计方案4 MW 非 金 属 复 合 材 料 机 舱 罩 上 半 为（M300/W600）4/顶部 balsa 木/（M300/W600）4/M300，机舱罩下半为（M300/W600）6/（M300/W600）8/（M300/W600）4/M300，其中最厚的位置为 31 mm，最薄的位置为 5 mm，主体平均厚度约为 12 mm。4 MW金属材料机舱罩整体采用普通碳素结构钢 Q235B，其中金属蒙皮厚度 4 mm，金属框架厚度 8 mm。4 MW 金属机舱罩壳与非金属相比质量增加约2.7 t，由于 Q235-B 材料本身价格不高，没有模具费用，因此金属罩壳的成本主要存在于焊接工艺、涂装等制造成本。总的来说，金属机舱罩壳的生产成本与树脂材料相比有所降低。3.2机舱罩强度分析3.2.1受载计算3.2.1.1风速风速与所选取的风区有关，GL 2010 规范 4.2.1 按照 50 年一遇 10 min 的极限风速 Vref将风区划分为 3 类基本风区、和 1 类特殊风区 S5，这 4 类风区下的风机等级基本参数如表 4 所示。表 4风机等级基本参数风机等级SVref（ms-1）5042.537.5制造商指定的值Vave（ms-1）108.57.5AI15（-）0.180.180.18a（-）222BI15（-）0.160.160.16a（-）333表 4 中，Vref为基准风速，Vave为轮毂高度处年平均风速，AI15为较高湍流强度下 15 m/s 湍流强度特征值，a 为斜率参数，BI15为较低湍流强度下 15 m/s 湍流强度特征值。本文中的 4 MW 风力发电机组考虑采用类风区，具体信息如表 5 所示。3.2.1.2机舱 Cp值依据 GL 2010 规范 6.4.3.2.3，在风向确定的情况下可得出机舱罩各表面的 Cp值5。机舱罩的简化 Cp值如图 1 所示，其中正对风向的机舱罩面为迎风面Cp=+0.8（压力），与之对应的面为背风面 Cp=0.5（吸力），与风向平行的面 Cp=0.6（吸力）。科技与创新Science and Technology&Innovation522023 年 第 18 期表 5类风区具体信息载荷工况描述作用位置风速/（ms-1）安全系数风载荷载荷工况 6.150 年一遇，正常情况整个机舱外表面42.51.35风载荷载荷工况 6.250 年一遇，电网掉电整个机舱外表面42.51.1风载荷载荷工况 7.11 年一遇，电网掉电整个机舱外表面42.51.35图 1机舱罩的简化Cp值3.2.1.3空气密度空气密度取标准空气密度 1.225 kg/m3。利用风速 v、作用面积 A、Cp值和空气密度就可计算出机舱罩的受载情况：F=v2ACp/23.2.1.4载荷安全系数依据 GL 2010 规范 4.3.2 要求选取载荷安全系数5，载荷安全系数如表 6 所示。表 6载荷安全系数载荷类型作用位置安全系数静载荷机舱自重整个机舱1.35结冰整个机舱外表面1.35雪机舱顶部表面1.35动载荷人机舱顶部表面，作用在0.2 m0.2 m 面积的单个节点上1.35其他集中载荷机舱顶部表面1.503.2.2极限强度分析基于前述的强度失效准则，利用 ANASYS 分析软件6，以 4 MW 风电机组为例，分别对 2 种不同材料的机舱罩进行极限强度分析，如图 2、图 3 所示。图 24 MW 非金属复合材料机舱罩强度分析应力云图经分析，非金属复合材料机舱罩手糊纤维毡最大应力为 45.4 MPa，手糊纤维布最大应力为 109 MPa，极限强度满足要求。图 34 MW 金属材料机舱罩强度分析应力云图强度分析的结果表明：金属机舱罩最大 von-Mises等效应力约为 103 MPa，极限强度满足要求。4结束语在风力发电机组众多的采购部件中，机舱罩壳作为较大的结构部件，约占风机总成本的 3%左右，随着目前风电上网电价的逐步下调，风力发电机组降本压力正在逐渐加大，因此选用何种材料的机舱罩，对控制整个风机的成本具有较大的影响。4.12 种材料机舱罩的优缺点非金属复合材料机舱罩优点为：不需复杂的生产设备，投资少，适合中国乡镇企业的发展；生产技术易掌握，生产人员只需经过短期培训即可进行生产；可与其他材料复合制作成一体，厚度可变化。但也具有明显的缺点：强度校核的方法和过程较为复杂；一般采用手糊成型工艺，生产效率低，尺寸偏差大；易受操作人员技能水平及生产环境条件的影响，产品质量不稳定；加工时粉尘多，环境污染大。金属材料机舱罩优点为：Q235B 是普通材质的钢材，应用十分广泛，价格不高；金属材料的加工制造依靠机床保证，尺寸偏差易于控制；针对单一金属材料的强度校核较为简单。其缺点在于：金属机舱罩长期暴露在大气环境中，需考虑整体防腐；金属的热传导系数高，需要加大机舱内部散热通风量。在低温地区，还要考虑机舱内部的保温措施。4.2机舱罩的选取原则在风电机舱罩方案的选取上首先应充分考虑到（下转第 55 页）机舱罩风向Cp=0.6Cp=0.5Cp=0.6Cp=0.8Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期55表 1（续）类别ResNet-50+PSPNetMobileNetV2+PSPNet本文算法模型参数量/MB178.199.0722.19模型训练完成后选取 CamVid 进行语义分割数据集预测，分割前后图片显示如图 4 所示，经过语义分割模型前后图片显示能很好根据真实目标轮廓进行分割。图 4语义分割效果图通过结果进行分析，利用 DeeplabV3+语义分割算法，图片能将真实目标轮廓进行分割，与传统 PSPNet语义分割算法、MobileNetV2+PSPNet 算法相比，MPA值分别提升 1.11%和 1.64%，MIoU 值分别提升 2.02%和 2.52%。模型参数量与 MobileNetV2+PSPNet 算法相比，参数量多 13.12 MB。3结束语本研究基于DeeplabV3+语义分割算法进行道路图像语义分割，通过数据集选取、数据集训练、测试结果验证语义分割模型在实际图像中的应用。实验表明，DeeplabV3+语义分割算法在道路图像语义分割中取得良好的效果，准确率 Accuracy 为 92.11%、类别平均像素准确率 MPA 为 71.88%、平均交并比 MIoU 为63.97%。本文算法和传统 PSPNet 语义分割算法、MobileNetV2+PSPNet 算法相比，MPA 和 MIoU 值得到提高，模型参数量比 MobileNetV2+PSPNet 多13.12 MB，仅为 ResNet-50+PSPNet 参数量的 12.4%。道路图像语义分割依然面临着随道路环境复杂多变而图像中存在类别之间相互遮挡、相互重叠的问题，精确进行语义分割仍存在非常大的挑战。参考文献：1靳彩娇.高分辨率遥感影像道路提取方法研究D.郑州：解放军信息工程大学，2013.2李卫东，陈永枫，杨阳，等.国内外遥感影像道路网提取方法研究现状J.影像技术，2016，28（2）：44-45.3周安发.高分辨率遥感影像城区道路提取方法研究D.长沙：中南大学，2012.4张晴晴，刘勇，王智超，等.卷积神经网络在语音识别中的应用J.网络新媒体技术，2014，3（6）：39-42.5ZHAO H，SHI J，QI X，et al.Pyramid scene parsingnetworkC/2017 IEEE conference on computer vision andpattern recognition（CVPR），Honolulu：IEEE，2016.6CHEN L C，PAPANDREOU G，KOKKINOS I，etal.Semantic image segmentation with deep convolutionalnets and fully connected CRFsEB/OL.2023-02-27.https:/arxiv.org/abs/1412.7062v4.7方茂青.基于 Deeplabv3+的遥感图像城市道路分割算法研究D.武汉：华中科技大学，2019.8谢林江.基于MobileNetV2和DeepLabV3+的 Android人像背景虚化系统D.西安：西安电子科技大学，2020.作者简介：张绪德（1994），男，苗族，硕士，讲师，研究方向为深度学习、计算机视觉。（编辑：张超）（上接第 52 页）风电机组的运行环境，并结合风电机组的整体结构方案及外形尺寸，核算出机舱罩的生产制造成本，再综合考虑机舱罩的生产效率（交货期要求）、车间装配、后期运输条件等因素，最终确定选用哪种材料的机舱罩，并设计出最优的设计方案和制造工艺，实现机舱罩的最优性价比。参考文献：1何玉林，冯博，杜静.风力发电机组复合材料机舱罩的有限元分析J.材料科学与工程学报，2011（2）：258-2622王瑞，张丹.基于有限元的大型风力发电机组金属机舱罩设计开发J.装备制造技术，2018（4）：60-63.3沈观林，胡更开，刘彬.复合材料力学M.北京：清华大学出版社，20134LLOYD G.Rules and guidelines IV industrial services patI:guideline for the certification of wind turbinesM.Hamburg：Germanischer Lloyd，2010.5刘鸿文.材料力学M.北京：高等教育出版社，2011.6张秀辉.ANSYS 14.0 有限元分析从入门到精通M.北京：机械工业出版社，2013：63-69作者简介：王瑞（1981），男，工学硕士，高级工程师，研究方向为机电一体化技术、结构设计。（编辑：王霞）