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1、风力发电机组塔架结构的屈曲稳定性分析王昱皓王昱皓 博士博士北区咨询服务部北区咨询服务部 经理经理安世亚太科技（北京）有限公司安世亚太科技（北京）有限公司2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训v塔架屈曲稳定性分析概述塔架屈曲稳定性分析概述v屈曲问题理论介绍及分析流程屈曲问题理论介绍及分析流程特征值屈曲分析的基本理论特征值屈曲分析的基本理论基于基于ANSYS的特征值屈曲分析流程的特征值屈曲分析流程v塔架屈曲分析实例塔架屈曲分析实例塔架模型处理塔架模型处理有门框模型/无门框模型几何模型简化高质量网格模型塔架边界条件的处理塔架边界条件的处理位移边界：位移约束方式定义力边界：力的
2、加载点及加载方式定义塔架的特征值屈曲计算塔架的特征值屈曲计算结果后处理结果后处理v塔架屈曲分析技术要点总结塔架屈曲分析技术要点总结内容主题内容主题2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架失稳概述塔架失稳概述v塔架失稳是指当塔架承受的载荷塔架失稳是指当塔架承受的载荷超过某一临界值时突然失去原有超过某一临界值时突然失去原有几何形状的现象。几何形状的现象。v不同形式的塔架结构以及不同形不同形式的塔架结构以及不同形式的载荷所引起的失稳后的几何式的载荷所引起的失稳后的几何形状不同。形状不同。v研究塔架的稳定性目的在于确定研究塔架的稳定性目的在于确定塔架的临界载荷及其相应的失稳塔
3、架的临界载荷及其相应的失稳模态，以改进加强措施，提高结模态，以改进加强措施，提高结构的抗失稳能力。构的抗失稳能力。2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训结构稳定性计算的方式结构稳定性计算的方式v特征值屈曲特征值屈曲非保守非保守 解解,使用时应谨慎使用时应谨慎相对不费时相对不费时(快捷快捷)的分析。的分析。为了提供更真实的结果为了提供更真实的结果,屈曲模态形状可用作非线性屈曲分析的初始几何缺陷。屈曲模态形状可用作非线性屈曲分析的初始几何缺陷。根据根据DIN标准，采用此方法计算修正理想屈曲应力是可以接受的。标准，采用此方法计算修正理想屈曲应力是可以接受的。v非线性屈曲非线性
4、屈曲Fu理想载荷路径理想载荷路径有缺陷结构的载荷路径有缺陷结构的载荷路径 前屈曲前屈曲线性特征线性特征 值屈曲值屈曲非线性屈曲非线性屈曲2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训特征值屈曲理论特征值屈曲理论v对于特征值屈曲分析，下面的特征值方法用来得到屈曲对于特征值屈曲分析，下面的特征值方法用来得到屈曲载荷乘子载荷乘子l li和屈曲模态和屈曲模态y yi:v这个结论在分析计算中有的假设这个结论在分析计算中有的假设:K和和S 是常量是常量假设为线弹性材料行为应用小变形理论，并且不包括非线性特性基于载荷F的响应是一个线性的关于li的函数附加的约束条件附加的约束条件:不允许非零位
5、移约束或热载荷2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训特征值屈曲的一般步骤特征值屈曲的一般步骤 几何模型几何模型 材料模型材料模型 有限元模型有限元模型建模建模预应力静预应力静力计算力计算特征值屈特征值屈曲计算曲计算结果后结果后处理处理 载荷因子载荷因子 屈曲模态屈曲模态 DIN工程计算工程计算 位移边界位移边界 力边界力边界 预应力选项预应力选项 静力计算静力计算 特征值屈曲特征值屈曲 模态提取方法模态提取方法 模态扩展模态扩展 特征值屈曲计算特征值屈曲计算2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例v 几何模型
6、几何模型从塔架总体模型中截取，门上高度为从塔架总体模型中截取，门上高度为2.5倍的塔架底面直径倍的塔架底面直径有门洞模型和无门洞模型，实体模型有门洞模型和无门洞模型，实体模型v 材料属性材料属性假设为结构钢假设为结构钢v 网格模型网格模型厚度方向厚度方向3层层门洞附近在有无门洞情况下网格尽可能一致门洞附近在有无门洞情况下网格尽可能一致v 边界条件边界条件（参见（参见DIN）底面全约束底面全约束上端施加使得门洞受压的单位弯矩上端施加使得门洞受压的单位弯矩通过载荷伞或刚性域施加通过载荷伞或刚性域施加v特征值屈曲计算特征值屈曲计算考虑预应力静力计算考虑预应力静力计算=特征值屈曲计算特征值屈曲计算v计
7、算结果处理计算结果处理基于两种不同结构形式所得的载荷因子之比参考欧洲标准指导设计基于两种不同结构形式所得的载荷因子之比参考欧洲标准指导设计2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训v计算域的截取计算域的截取工具工具:ANSYS WB/DM为保证网格在门洞附件一致，注意无为保证网格在门洞附件一致，注意无门洞模型在门洞位置处的处理门洞模型在门洞位置处的处理塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例v 网格模型网格模型Solid186单元，高阶单元单元，高阶单元扫略网格，全六面体扫
8、略网格，全六面体厚度方向厚度方向3层层有门洞和无门洞网格尽可能一致有门洞和无门洞网格尽可能一致2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例v 边界条件边界条件 底部全约束底部全约束 顶部施加门洞受压的单位弯矩顶部施加门洞受压的单位弯矩基于工程经验，该情况下对于塔架最危险，应力集中效果最大 注意：坐标系注意：坐标系2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例v 求解设置及提交计算求解设置及提交计算特征值屈曲分析特征值屈曲分析预应力选项设置2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例v 结果后处理结果后处理2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例Demo2008 风电机组结构有限元分析培训风电机组结构有限元分析培训塔架屈曲稳定性分析技术要点小结塔架屈曲稳定性分析技术要点小结v 选取合适的计算域选取合适的计算域v 有效的网格模型有效的网格模型全六面体全六面体合理的网格密度合理的网格密度v 边界条件的处理边界条件的处理v 特征值屈曲计算流程特征值屈曲计算流程v 后处理，依据后处理，依据DIN18800-4进行工程计算，指导设计进行工程计算，指导设计T