一种嵌套式的风电塔架及其损伤预测方法

本发明涉及损伤预测，尤其涉及一种嵌套式的风电塔架及其损伤预测方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、风力发电作为清洁能源迅速发展，并越来越趋向于大型化、高效率。风电技术发展的同时，对风机塔架的高度要求也越来越高，对塔架材料和性能的要求随之增加。已知的塔架最高已达140米，虽然能够带来更高效率的资源，但是运输不易且成本大，容易造成安全隐患。目前，风机塔架常用材料有钢和混凝土两种。钢材料易浇筑，硬度大，但随着高度增加，对钢材料的强度和硬度都有更高的要求，且目前钢的价格有大幅度的增长。此外，钢材还需考虑腐蚀问题，增加了后续维修成本。而混凝土材料便宜，但浇筑至成型施工周期长，越高的塔架浇筑越困难，难以应用到超高塔架中。钢-混凝土材料可以避免两种材料的缺点，不仅可以解决了钢材料价格高昂的缺点，而且还可以解决混凝土材料的施工周期长缺点。

3、基于此，研究人员针对钢-混凝土结构的塔架做了大量的研究，黄一航等提出内埋方钢管空间钢构架混凝土短柱的组合柱方法，其极限承载力满足一定应用需求。但此组合对浇筑工艺要求高，塔架过高无法一次成型。李斌等通过分析不同参数对节点承载力，提出了钢管内填充混凝土后可以达到极限承载力，但是研究仅局限于管板节点。杨晨旭等对装配式节点进行了有限元分析研究，提出了在进行新型装配式节点设计时，应当控制腹杆与包裹板、腹杆与加劲板的壁厚比在合理的取值范围内，但是仅研究了静力理论分析部分，有所局限。张冬冬等利用abaqus有限元软件对试验模型和原型塔架模型进行数值模拟，给出了在不同工况下混凝土塔架结构的承载变形能力和动力特性，但是仅对模型塔架进行拟静力荷载试验，并未进行混凝土塔架的抗震分析。

4、因此，如何设计一种满足强度和韧性要求的同时，方便组装和维修的大型风机塔架成为亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种嵌套式的风电塔架及其损伤预测方法。以混凝土材料作为塔架底部，以钢材料作为塔架的塔身，提出了一种嵌套式结构的设计。对混凝土段和钢段比例进行探究，从经济和性能的方向寻求最好的比例，达到了满足风机塔架的强度和韧性的效果。同时，提出一套嵌套式组装方案，在从方便运输和经济角度考虑的同时也减少了工程量。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、本发明第一方面提供了一种嵌套式的风电塔架，包括：

4、塔底、塔身和塔顶，塔底、塔身和塔顶均由拼接组件组装而成，拼接组件呈圆环状，圆环内壁铺设钢管，圆环外部浇筑混凝土；拼接组件为半径不同的同心圆环，根据半径由大到小通过嵌套的方式，自下而上进行组装；半径最大的拼接组件作为塔底，半径最小的拼接组件作为塔顶。

5、进一步的，拼接组件由三部分拼接组成，每部分为120°的圆弧。

6、进一步的，拼接组件采用钢材料制成。

7、进一步的，塔架高120米。

8、进一步的，塔底外径6.4米，壁厚0.3米，塔顶外径3.2米，壁厚0.08米。

9、本发明第二方面提供了一种嵌套式的风电塔架的损伤预测方法，包括以下步骤：

10、对风电塔架建立有限元塔架模型；

11、对塔架模型添加负载，对塔架形变和应力进行分析，得到塔架受力及形变情况；

12、根据受力及形变情况进行监测，将监测数据进行处理，得到损伤预测结果。

13、进一步的，对塔架模型添加负载的具体过程为：根据塔架模型设置网格，对塔架施加方向竖直向下的自身所受重力、风载荷及风机机头对塔架的压力并生成应力云图和形变云图。

14、更进一步的，设置总变形得到塔架形变，设置等效应力得到塔架所受应力。

15、进一步的，以数据的形式展现连续点的受力完成受力及形变情况的监测。

16、进一步的，将监测数据进行处理后，受力及形变最大处即为所受损伤最大处。

17、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

18、本发明提出一种嵌套式的风电塔架及其基于ansys的损伤预测方法，该塔架满足了大型风机塔架越来越高的强度和韧性要求；避免了传统风机钢塔架易腐蚀、后续维修成本高的问题以及混凝土塔架施工周期长、超高塔架浇筑困难的问题；该塔架设计为嵌入式组装，运输方便、维修便捷，降低了运输和维修成本。

19、本发明通过基于ansys的损伤预测方法对风电塔架进行损伤预测，与现有只针对某一部分进行损伤预测的技术相比，本发明对塔架整体进行全面分析，得到了大量更系统的数据。能够快速得到损伤的受力和形变点，确定损伤位置。

20、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种嵌套式的风电塔架，其特征在于，包括：塔底、塔身和塔顶，塔底、塔身和塔顶均由拼接组件组装而成，拼接组件呈圆环状，圆环内壁铺设钢管，圆环外部浇筑混凝土；拼接组件为半径不同的同心圆环，根据半径由大到小通过嵌套的方式，自下而上进行组装；半径最大的拼接组件作为塔底，半径最小的拼接组件作为塔顶。

2.如权利要求1所述的嵌套式的风电塔架，其特征在于，拼接组件由三部分拼接组成，每部分为120°的圆弧。

3.如权利要求1所述的嵌套式的风电塔架，其特征在于，拼接组件采用钢材料制成。

4.如权利要求1所述的嵌套式的风电塔架，其特征在于，塔架高120米。

5.如权利要求1所述的嵌套式的风电塔架，其特征在于，塔底外径6.4米，壁厚0.3米，塔顶外径3.2米，壁厚0.08米。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的嵌套式的风电塔架的损伤预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的损伤预测方法，其特征在于，对塔架模型添加负载的具体过程为：根据塔架模型设置网格，对塔架施加方向竖直向下的自身所受重力、风载荷及风机机头对塔架的压力并生成应力云图和形变云图。

8.如权利要求7所述的损伤预测方法，其特征在于，设置总变形得到塔架形变，设置等效应力得到塔架所受应力。

9.如权利要求6所述的损伤预测方法，其特征在于，以数据的形式展现连续点的受力完成受力及形变情况的监测。

10.如权利要求9所述的损伤预测方法，其特征在于，将监测数据进行处理后，受力及形变最大处即为所受损伤最大处。

技术总结
本发明公开了一种嵌套式的风电塔架及其损伤预测方法，涉及损伤预测技术领域。包括：塔底、塔身和塔顶，塔底、塔身和塔顶均由拼接组件组装而成，拼接组件呈圆环状，圆环内壁铺设钢管，圆环外部浇筑混凝土；拼接组件为半径不同的同心圆环，根据半径由大到小通过嵌套的方式，自下而上进行组装；半径最大的拼接组件作为塔底，半径最小的拼接组件作为塔顶。并通过对塔架进行建模；再对塔架所受力进行应力分析，可得出该塔架的损伤预测结果。该塔架满足了大型风机塔架越来越高的强度和韧性要求；避免了传统风机钢塔架易腐蚀、后续维修成本高的问题以及混凝土塔架施工周期长、超高塔架浇筑困难的问题。

技术研发人员：周月婷,何坚强,蒋善超,沈锋,孙厚超,辅小荣,张春富,廖启蒙
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13