鋼筋混凝土風力發電塔風致動力響應分析

　　1 引言
　　隨著風電機組向大型化、海洋化發展，風電機組鋼塔因自身局限性已難以滿足工程需要，諸多敏銳人士已將目光投向鋼筋混凝土風電機組塔筒。本課題組基于ABUQUS 軟件構建了預應力鋼筋混凝土風力發電高塔精細化有限元模型，完成了同時考慮材料與幾何非線性的結構分析，并通過實驗驗證了結構分析的有效性。盡管所實現的結構分析僅限于塔筒，但是課題組合理地考慮了作用在葉片與機艙上的氣動荷載。值得指出，課題組僅限于擬靜力分析，而未考慮動力效應。事實上，由于風電機組獨特的結構形式與運行方式，其風致動力響應分析要遠比一般高聳結構復雜。
　　綜上，鋼筋混凝土風力發電高塔研究尚存在三大局限性：第一，結構建模多為局部建模，未實現“葉片－機艙－塔筒－基礎”一體化建模；第二，未考慮葉片旋轉效應對風場結構的影響；第三，尚未實現結構風致動力響應分析。有鑒于此，為了正確分析鋼筋混凝土風力發電高塔的風振動力響應，本文首先完成了1.25MW 鋼筋混凝土風力發電高塔設計，建立了風電機組“葉片－機艙－塔筒－基礎”精細化有限元模型。然后，基于隨機過程的隨機函數描述，提出了隨機Fourier 譜與旋轉Fourier 譜物理模型，依據隨機函數法實現了風電機組風場模擬。最后，以大型有限元分析軟件ANSYS 為平臺，完成了鋼筋混凝土風力發電高塔風致動力響應分析，并與風力發電鋼塔進行了對比。
　　2 一體化有限元模型
　　所謂風電機組一體化有限元模型，是指將槳葉、機艙、塔體和基礎同時建模，以獲取準確的結構動力特性，模擬不同構件（尤其是槳葉與塔體）之間的相互耦合作用，并反映結構應力集中、局部屈曲等細部特征。本文以典型的1.25MW 三槳葉變槳距風電機組為研究載體，建模平臺為大型通用分析軟件ANSYS。