组合风电塔架混凝土填充钢箱连接段数值模拟.pdf

3 0 机 械 设计 与 制造 M a c hi n e r y De s i g n&Ma nu f a c t u r e 第 3期 2 0 1 6年 3月 组合风电塔架混凝土填充钢箱连接段数值模拟 许斌 ， 李正超， 谢咏剑 ( 湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘要： 在进行组合风力发电塔架结构设计中， 混凝土塔段与钢塔段的连接是该结构的关键部分。传统厚型法兰盘连接 因刚度不足会导致下部混凝土 出现 受力分布不均匀， 局部应力过大。 因此提 出一种混凝土填充钢箱连接 方案 ， 以 2 Mw 风 电塔架为研究对象， 以弹塑性力学、 强度理论等为理论基础， 运用有限元软件 A B A Q U S对所提方案进行建模， 并进行弹性 和弹塑性计算分析。结果表明， 混凝土填充钢箱结构可以有效提高连接段的刚度和整体性， 连接段受力性能明显优于传 统法兰盘连接段， 能够将上部荷载均匀传递到下部混凝土上， 有效避免因混凝土局部应力集中而产生开裂现象。 关键词： 组合风电塔架； 混凝土填充钢箱； 有限元； 弹塑性分析； 应力分析 中图分类号： 阳 1 6 ； T K 8 3 ； T U 3 9 8 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 3 0 0 4 Nu me r i c a I Si mu l a t i o n o n Co n c r e t e I n f i l l e d St e e I Bo x Co n n e c t i o n o f Hy b r i d W i n d T u r b i n e To we r X U B i n ， L I Z h e n g - c h a o ， X I E Y o n g - j i a n ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Hu n a n U n i v e r s i t y ， H u n a n C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e c o n n e c t i o n b e t we e n t h e c o n c r e t e a n d s t e e l t o w e r i s c r i t i c a l wh e n d e s i g n i n g t h e h y b r i d w i n d t u r b i ne t o w e r S t if f n e s s o ft h e t r a d i t io n a l t h i c k fl ang e c o n n e c t i o n i s S O i n s u f fic i e n t t h a t t h e i nsu f f w ie n c y m a y l e ad t o? lA g n u n if o 肌 d is t r i b u t i o n off o r c e a n d e x c e s s i v e l o c al s t r e s s A c o n c r e t e - i n fi l l e d s t e e l b o x c o n n e c t i o n a p p r o a c h is p r o p o s e d ， t a k i n ga 2 MW w i n d t u r b i ne r o we r a n e x a m pl e ，b a s e d o n e l ast i c - p l as t i c me c h a n i c s ，s t r e n g t h t h e o r y，an d S O D 几 F i n i t e e l e me n t mo d e l is c o ns t r u c t e d b y t h e fin i t e e l e men t s o f t w a r e A B A Q U S ， and e l ast ic a n d e l a t o p l ast i c i t y a n al y s is ace c a r r i e d o u t R e s u l t s h o w s t h at， t he c o n c r e t e - i n fi l l e d s t e e l b o x i m p r o v e s t h e s t iffn e s s and i n t e g r i t y oft h e c o n n e c t i o n e f f e c t i v e l y ， a n d i t is b e t t e r t h an t h e t r adi t io n alfla n g e c o n nec t i o n O f t mec h anica l p e 咖 e ，w h ic h C an t r a n s f e r t h e u p p e r l o a d s t o t h e l o w e r c o n c r e t e u n if o r m t y ，a n d a v o i d c o ncr e t e f r act u r e c a u s e d b y l o c al s t r e s s c o n c e n t r a t i o n e ffe c t i v e l y Ke y W o r d s ： Hy b r i d W i n d Tu r b i n e To we r ； Co n c r e t e - I n fi l l e d S t e e l Bo x ； F i n i t e El e me n t ； Ei a t o p l a s t i c i t y An a l y s ；S t r e s s An a l y s i s 1引言 风能是一种蕴藏丰富， 分布广泛， 清洁的可再生资源l l J。随着 科技的进步以及建设资源节约型和环境友好型社会的迫切需要， 近年来风力发电在我国的发展十分迅速 。 对于组合塔架制作， 连 接段的设计是重点。由于风电塔架结构尺寸大， 进行足尺模型试 验花费高 ， 实验室也不具备试验条件， 而进行缩尺模型试验又不 能准确反映原结构的受力特征， 因此对连接段进行有限元数值分析 具有重要意义。 国外， 文献耐 预应力钢筋? 昆 凝土风电塔架做了相关 研究， 表明这种塔架形式具有不易腐蚀、 稳定性好、 成本低廉等优 点； 国内， 文献喂 出了一种预应力钢筋混凝土塔架的优化方案， 该 方案通过P y t h o n 语言平台把遗传算法与A B A Q U S对接， 实现数值 建模分析与优化同步开展， 并通过实例分析， 验证该方案的可行性 和有效性； 文献阁 以某钢筋混凝土风力发电高塔为研究对象 ， 在 A B A Q U S中分别采用复合壳单元和三维实体单元对全混凝土塔段 进行了有限元建模， 对比分析计算结果， 验证设计的合理眭。 综上所述， 提出一种用于组合风电塔架的新型连接方案一 混 凝土填充钢箱连接段， 利用有限元软件 A B A Q U S 进行建模， 分别 进行弹性和弹塑性计算分析， 通过两种分析计算结果， 并与传统 法兰盘连接段进行对比， 得出所提连接段方案的可行眭。 2连接段方案及有限元建模 2 1研究对象 以额定功率为 2 MW的风力发电塔架为研究对象， 原风电塔 来稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 8 0 5 。 基金项目： 国家自然科学基金项目新型预应力砼一 钢组合塔架结构体系受力性能与优化研究( 5 1 4 7 8 1 7 5 ) 作者简介 ： 许斌 ， ( 1 9 7 2 ) ， 男， 湖北孝感人 ， 博士研究生 ， 教授 ， 主要研究方向 ： 组合风力发 电塔架性能 ； 李正超 ， ( 1 9 8 9 一 ) ， 男， 河南南 阳人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向： 组合 风力发电塔架 性能 第 3期 许斌等 ： 组合风电塔架混凝土填充铜箱连接段数值模拟 3 1 架结构中采用传统法冀盘连接段方案，法兰盘外径 4 8 7 8 mm， 内 径 3 8 7 8 mm， 厚度 9 0 ram。 法兰盘通过钢绞线锚 同在混凝 土塔段的 顶部 ， 其上部焊接有过渡钢筒段 ， 高度 8 0 0 m m， 厚度 2 2 ra m， 其下 部焊接有锚 固筋 ， 埋人混凝 土塔 内。所提混凝土填 充钢箱连接段 方案 ， 是对 原连接段 方案的优 化改进 ， 将传统连接段中的法兰盘 改进为钢箱结构 ， 在钢箱内部沿环向设置加劲肋， 并浇筑混凝土 。 2 2有限元模型 为减小工作量 ， 仪对连接段与部分混凝土塔段进行建模。模 型包括连接段 混凝土段 ， 底法兰盘 ， 预应力钢绞线 ， 以及混凝土 段 内配置的普通受 力钢筋 。 其 中混凝 土段 内、 外径 与连接段相同 ， 高度 1 5 0 0 m m。底法 盘为锚阎预应力钢绞线f町 设置。有限元模 型 ， 如图 1 所示 _皋 J 1有限兀模型 F i g 1 Fi n i t e E l e me n t Mo d e l s 2 3单元选取与网格划分 混凝土塔段内配置的普通受 力钢筋和预应 力钢绞线采用 维线单元， 其他部什均采朋 t维实体单元 。 单元类 选取时 ， 三维 实体单元采用 A B A QU S单元库的i维八节点六面体减缩积分单 元( C 3 D 8 R) ， 单厄适应较大变彤能力， 具有良好的接触模拟能力和 较低计算成本； i维线单元采用三维两节点桁槊单元( T 3 D 2 ) 。 网 格划分后 ， 模 型各构件单元数统计 ， 如表 1 所示 。 表 1单元类型和数量 Ta b 1 Th e T y p e a n d Nu mb e r o f E l e m e n t s 2 4定义接触对 接触对包括 主面和从 面。定 义主 、 从 酊 应注意： 选择刚度较 大的面作为主面； 若两接触面刚度相似 ， 则选择网格较粗的面作 为主面； 主、 从面的节点尽可能对应。模型l f | 存在的接触面包括： 钢箱 与混凝土的接触而 ， 法 兰盘与混凝土的接触而 ， 法兰盘与锚 具 的接触面。 接触 属性定义 ， 包括切向属性和法 向属性 ， 向属 性采用定义罚 函数摩擦公式 ， 接触面 的摩擦系数取 为 0 3 ； 法向属 性采用拉格朗日“ 硬” 接触I ， 所谓“ 硬” 接触， 就是接触面之间能够 传递的接触压力大小不受限制， 当接触面之问的 力变为负值或 者零时， 两个接触面发生分离， 用以考虑连接段与混凝土之间受 不受手 z 的特点 。 2 5边界条件与荷载 模型 巾混凝 土段 与底法 兰盘相连 ， 通过对底法兰盘施加 固 定约束 ， 来简化模拟混凝土段的边界条件 。混凝 土内引人的预应 力筋， 采用降温法施加预应力。 计算塔架内力时， 在几种荷载组合 l J ， 以基本组合为最不利， 因此取该组合下的弯矩、 剪力、 轴力作 为模型的荷载作用。在模型顶部截面中心处创建参考点， 并使该 参考点与顶部截面耦合， 对耦合后的参考点施加荷载， 等同于施 加在钢筒顶部截面 弯矩 、 剪力 、 轴 力， 如表 2 所示。 表 2荷载最不利组合 Ta b 2 Th e Mo s t Un f a v o r ab l e Comb i n a t ion o f L o a d s 3有限元计算分析 3 1弹性计算分析 模型中主要构件弹性计算结果 ， 如图 2所示。 ( a ) 预应力筋臆力云图 ( b ) 铡箱 钢简应力云图 ( c ) 钢箱位移云图 ( d) 核心混凝土应力云图 3 2 机械 设 计 与制 造 No 3 Ma l 2 01 6 ( e ) 核心混凝土位移云 ( f ) 混凝土塔段应 力云图 ( g ) 混凝土塔段位移云图 图 2弹性分析结 果( 单位： MP a ， ra m) Fi g 2 Th e Re s u l t s o f E l a s t i c An a l y s i s 从图 2中可以得m ， 每根预应力钢筋应力在 1 I O O MP a 左右 ， 与实际张拉控制应力1 3 0 0 MP a 相差不大， 且应力分布均匀。 钢筒 的应力最大值为 1 9 0 MP a 左右， 远低于钢的屈服强度， 说明受力 还处于弹性阶段。混凝土应力云图中， 白色区域的混凝土应力为 负值， 黑色区域的混凝土应力超过抗拉强度， 其他颜色介于两者 之间。钢箱和核心混凝土的应力和位移均很小， 在于它们形成组 合结构， 其结果是钢箱受到混凝土支撑作用， 应力值降低， 变形能 力提高； 核心混凝土处于三向受压。 抗压及变形能力均得到提高。 混凝土段最大主应 力在 0 5 M P a 左右 ， 小于抗拉强度 ， 整个塔段 应 力分布较 为均匀。 将模型在弹性分析下主要受力构件的计算结果绘制成表 格 ， 如表 3所示 。 表 3应力、 位移弹性计算结果( 单位 ： MP a ， mm) Ta b3 Th e Re s u lt s o f S t r e s s， Di s p l a c e me n t in E l a s t i c An a ly s is 比较传统法兰盘连接段与混凝土填充钢箱连接段 中混凝土 段顶部区域应力状态， 如图 3 所示。 从图3中可得， 混凝土填充钢 箱 连接段 中的混凝土最大 主应力在 ( 一 0 5 0 5 ) MP a 之 间， 且沿高 度方 向变化很 小 而传 统法兰盘 连接段 中的混凝 土应力达 到 3 0 MP a ， 超过抗拉强度， 沿高度应力变化剧烈， 不利于力的传递。 对比表明 混凝土填充钢箱连接段具有明显的优势 量 置 媳 _ f ： 二 ：# 一 卜 + 卜 卜 卜 网 3弹性计算最大主应力一 高度分布曲线 Fi g 3 Th e Di s t r i b u t i o n Cu r v e i n El a s t i c An a l y s i s A b o u t Ma x i mu m P r i n c i p a l S t r e s s a n d He i g h t 3 _ 2弹塑性计算分析 弹塑性计算分析时 ， 需要定 义材料本构关系。钢材采用理想 弹塑性模型 ； 混凝土本构关系定义时， 受压参数采用混凝土规范 中的受压本构模 型，通过混凝土 的棱柱体抗压强度确定应 力一 应 变曲线； 受拉参数采用江见鲸提出的受拉本构模型， 通过混凝土 抗拉强度得 f J 应力一 应变曲线 。 弹塑性计算结果， 如图4所示。由于弹塑性与弹性计算结果 基本相同， 这里只列出核心混凝土和混凝土段的计算结果， 其他 构件不再赘述 。 ( a ) 核心混凝土应 力云陶 ( b ) 核心混凝土位移云图 ( ( - ) 混凝土塔段应 力云图 ( d ) 混凝土塔段位移云图 罔 4弹塑性分析结果( 单位 ： MP a I1 1 11 t ) F i g 4 T h e Re s u h s o f El a s t o pl a s t i c An a l y s i s No 3 Ma r 2 0 1 6 机 械 设 计 与制 造 3 3 将模型在弹塑性分析下主要构件的计算结果绘制成表格 ， 如表 4所示 。 表 4应力、 位移弹塑性计算结果( 单位： MP a 。 mm) Ta b 4 Th e Re s u l t s o f S t r e s s。 Di s p l a c e me n t in E l a s t o p l a s t ic An a ly s is 绘制出弹塑性分析下混凝土的最大主应力一 高度关系曲线 ， 如图5所示。 l 蝮 I 1 r 一 一l 一 一 一 l l I 传 统 连 接 段 I f +钢 箱 连 接 段I ( I l j r l l l 最大 主应力 ( M P a ) 图5弹塑性计算最大主应力一 高度分布曲线 F i g 5 T h e Di s t rib u t i o n Cu r v e i n El a s t o p l a s t i c An a l y s i s Ab o u t Ma x i mu m Pr i n c i p a l S t r e s s a n d He i g h t 3 3弹性与弹塑性计算结果对 匕 将模型在弹性和弹塑性计算结果绘制成表格， 如表 5所示。 对 比得出，两种计算模式下主要受力构件的应力及位移都很接 近， 且应力均小于材料的强度设计值。 而两种分析计算均出现， 钢 箱的应力和位移比钢筒小、 核心混凝土的应力和位移比混凝土段 大， 产生这种现象除了位置不同外， 还与受力模式有关， 钢箱与核 心混凝土形成组合结构， 共同受力改变两者的受力性能。两种计 算结果均表明， 混凝土填充钢箱连接段受力性能要优于传统法兰 盘连接段。 表 5连接段计算结果对比( 单位： MP a 。 mm) T a b 5 Co mp a r i s o n o f Re s u l t s of t h e Co n n e c t i o n 4结论 针对预应力混凝土一 钢组合风力发电塔结构连接段这一关 键部位， 提出了一种混凝土填充钢箱连接段方案。利用有限元对 所提方案建模 ， 并进行弹性和弹塑性计算， 通过对比两种计算结 果， 得出如下结论 ： ( 1 ) 采用降温法施加预应力， 能够得到较好的预应力施加效 果。 ( 2 ) 模型中的钢材在弹性和弹塑性计算中， 应力均小于材料 强度， 受力处于弹性阶段， 具有较大的强度储备。 ( 3 ) 混凝土填充钢箱形成组合结构， 其中钢箱对其核心混凝 土具有侧向约束作用 ， 使得混凝土处于三向受压状态， 抗压强度 和压缩变形能力都有了较大程度的提升； 核心混凝土对钢箱起到 支撑作用， 提高钢箱侧壁的几何稳定性， 防止钢箱空腔时发生失 稳， 两种材料的结合在改善各自力学性能的同时， 也提高了结构 的整体受力性能。 ( 4 ) 混凝土填充钢箱连接段具有刚度大 ， 整体性优特点 ， 能 够将上部荷载均匀传递到混凝土上 ， 从而连接段下部混凝土受力 均匀， 混凝土的应力低于抗拉强度， 不产生受拉开裂现象。 参考文献 1 罗如意， 林哗， 钱野世界风电产业发展综述 J 可再生资源， 2 0 1 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 4 1 7 ( L u o R u- y i ， L i n Y e ， Q i a I l Y e Th e d e v e l o p me n t a n d p r o s p e c t s o f w o r l d w i n d p o w e r i n d u s t r y J R e n e w a b l e E n e r g y R e s o u r c e ， 2 0 1 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 4 - 1 7 ) 2 Y u X ， Q u H Wi n d p o w e r i n C h i n a - - o p por t u n i t y g o e s w i t h c h a l l e n g e l J J R e n e w abl e a n dS u s t a i n abl e E n e r g y R e v i e w s ， 2 0 1 0 ， 1 4 ( 8 ) ： 2 2 3 2 - 2 2 3 7 3 S i n gh A N C o n c re t e c o n s t r u c t i o n f o r w i n d e n e r g y t o w e rs J T h e I n d i an C o n c ret e J o u rnal， 2 0 0 7 ( 8 1 ) ： 4 3 4 9 4 孟冉， 马宏旺 基于A b a q u s 和遗传算法的预应力混凝土风机塔架优化 设计 J 建筑科学， 2 0 1 3 ， 2 9 ( 1 ) ： 6 2 - 6 6 ( Me n g R an， Ma H o n g - w ang The o p t i m i z a t i o n d e s i g n of p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c ret e w i n d t o w e r b a s e d o n A b a s and g e n e t i c alg o r t h m J B u i l d i n g S c i e n c e 。 2 0 1 3 ， 2 9 ( 1 ) ： 6 2 - -6 6 ) 5 金涛， 周勇， 李杰 钢筋混凝土风力发电高塔数值分析C J 华中科技大 学学报： 城市城市科学版， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 4 ) ： 2 7 0 - 2 7 2 ( J i n T a o ， Z h o u Y o n g ， L i J i e N u me ri c al ana l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i n d t u r b i n e t o w e r J J o u r n alo f H u as h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o gy： U r b an S c i e n c e 。 2 0 0 8 ， 2 5 ( 4 ) ： 2 7 0-2 7 2 ) 6 石亦平， 周玉蓉 A B A Q U S 有限元分析实例详解 M 北京： 机械工业出 版社， 2 0 0 7 ： 5 1 -6 0 ( S h i Y i - p i n g ， Z h o u Y u - mn g E x p l i c i t E x a m p l e OfA B A QU S F i n i t e E l e m e n t A n al y s i s M B e i j i n g ： M a c h i n e r y I n d u s t ryP re s s ， 2 0 0 7 ： 5 1 -60 ) 7 刘展， 祖景平A B A Q U S 6 6 基础教程与实例详解 M 北京： 中国水利 水电出版社， 2 0 0 8 ： 7 7 8 1 ( L i u Z h an， Z u J i n g - p i n g A B AQ U S 6 6 B a s i c T u t o ri al a n d E x p l i c i t E x a mp l e M B e ij i n g ： C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s ， 2 0 0 8 ： 7 7 - 8 1 ) 8 江见鲸， 陆新征， 叶列平 混凝土结构有限元分析 M 北京： 清华大学 出版社。 2 0 0 5 ： 5 1 - 5 2 ( J i ang J i a n - j i n g 。 L u Xi n - z h e n g ， Y e L i e - p i n g F i n i t e E l e m e n t An a l y s i s of C o n c re t e S t r u c t u re s M B e i j i n g ： T s i n ghu a U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 5 ： 5 1 - 5 2 )