塔筒门框焊缝强度敏感性研究与分析

朱鑫

摘 要：本文使用热点应力法分析门框焊缝处应力值，根据某项目初步设计对柔性塔筒门框段进行有限元建模，在焊缝处网格尺寸较小，并符合外推法计算需求。分析门框焊缝的极端工况及相应的边界载荷条件，并计算求解。用外推法计算出焊缝内外圈所有节点的Von-Mises应力值，分析总结最危险工况的发生条件及最危险节点发生的位置。再次结合GL规范，考察焊缝的静强度；用雨流法对风力机载荷时间历程进行处理，得到所有焊缝节点的疲劳载荷应力转换系数。结合频次表、仿真载荷时间历程及载荷应力转换系数，用Miner损伤理论计算焊缝损伤，分析疲劳最危险工况及发生时最危险节点的位置，考察焊缝的疲劳强度。

关键词：柔性塔筒，塔筒门框，焊缝，应力集中，外推法，有限元，静强度，疲劳损伤。

绪论

1. 1. 引言

考虑到现在风力机市场的核心竞争力是先进高效的设计方法，而门框及焊缝的强度直接影响着塔筒的安全可靠，故快速可靠的获得风力机塔筒门框设计方案成为了急需解决的问题，风力机机组塔筒门框为开孔部件，是支撑结构最薄弱的部分之一，由于其结构的特殊性，此处会产生较大的集中应力，所以风力机塔筒门框及其焊缝的静强度计算为整个结构强度计算中的约束控制环节之一。

本文以某钢制柔塔为例，具体研究内容如下：

原有塔筒门框设计方案为椭圆加长方形结构，基于DIN18800^［28］，分析塔筒门框焊缝在极限载荷的作用下是否能够满足静强度要求，分析总结最大应力点出现的位置。根据疲劳载荷谱，通过外推法获得所有焊趾处的应力谱，然后对其进行雨流计数、Miner线性累积损伤计算，得到塔筒门框焊缝的最大累积损伤，并校核疲劳寿命。同时分析在不同极限载荷加载角度下，最危险疲劳点出现的位置。在上述已有静强度和疲劳损伤计算下，对原有方案问题进行分析，列出影响门框焊缝强度、寿命相关参数（塔筒壁厚、门框宽度、加强圈厚度、露出塔筒壁长度）；对不同参数下的门框分别建立有限元模型，计算迭代分析静强度及疲劳损伤，分析各参数对门框焊缝敏感性；对各个参数进行优化，给出满足GL2010规范要求的设计方案。

风力机塔筒门框及焊缝静强度分析

2. 1. 1. 结构热点应力法概述

针对塔筒门框焊缝，使用外推法计算焊缝处应力，首先要确定插值参考点，接下来才能使用外推法差值得到焊缝处应力。确定目标点的应力至少需要两个参考点的应力值，这两个参考点在应力方向上远离焊趾。离焊趾最近的参考点位置必须避开由于焊缝本身几何不连续造成的影响。选择距离焊趾处0.4t的A点及t的B点（t为焊接板厚），对于塔筒门框焊缝，t取塔壁厚度。焊趾距离几何交接处0.4t，故参考点A和B分别距离几何交接处0.8t、1.4t。见下图。

图2. 1塔筒门框焊缝参考点选取

采用外推法分析焊缝处最大特征应力（Von-Mises），显然几何交接处应力值最大， 。

本文的分析模型为某2.0MW柔塔风力机，其塔壁及门框参数初始设计方案及构型如下图。

图2. 2 塔筒门框初始设计方案图

由于采用了结构热点应力法，故在划分网格时，应满足柔塔塔壁上距离焊缝处0.8t及1.4t处存在网格节点，本文在焊缝处细化网格，尺寸为0.2t，如下图。

图2. 3 门框处局部节点尺寸细节

2. 2. 塔筒门框焊缝极限强度分析

采用结构热点应力法，外推计算出焊缝处热点应力。该工况下最危险点对应的0.8t、1.4t处节点的应力值为303.8MPa、278.7MPa。计算几何交界处应力： 。

由焊缝处塔段厚度t和材料属性可得材料屈服强度 。则整个分析模型的静强度安全系数为： 。

通过上述计算分析，塔筒门框焊缝安全系数0.903小于1，显然不满足GL规范要求。最危险工况为塔筒门框最极端受压，最危险点在塔筒内壁与门框几何交界处。

风力机塔筒门框及焊缝疲劳分析

1. 塔筒门框焊缝疲劳分析流程

本文采用名义应力法对门框焊缝的疲劳损伤进行计算，

根据S-N曲线，结合上文中Miner线性累积损伤理论，计算出各个工况的疲劳损伤。再次根据疲劳频次表计算出焊缝节点的疲劳总损伤值。具体分析流程如下。

图3. 1 疲劳损伤分析计算流程

而塔筒底段由于塔筒门框的存在，为非对称结构。需要考虑载荷和塔筒门的开口方向的不同相对位置。本文采用的分析方法是塔筒门框段模型坐标系不变。

基于上述方法，当塔筒门框在坐标系XOY_fat_n下时，将分析载荷从坐标系XOY_fat_01下转换至XOY_fat_n下，转换计算如下：

本文选取 ，计算分析24个角度在塔筒门框焊缝的疲劳损伤。

2. 疲劳损伤计算

门框焊缝类型属于板-块，根据Eurocode 3，焊缝疲劳计算DC值为100。疲劳计算所用的DC值根据塔筒门框焊缝厚度t和材料安全系数变化，需要进行修正，如下。

式中

3. 结果分析

用上述方法计算分析塔筒门框段模型中焊缝内外圈所有节点的疲劳损伤，当载荷旋转角度 时，有最大损伤 。

塔筒门框焊缝结构参数化分析

本文塔筒门框结构设计变量选取为塔壁厚度t、加劲条厚度d、加劲条长度 、加劲条凸出塔筒外壁长度 ，使得目标函数取最小值，目标优化函数如下：

式中S为塔筒门框焊缝静强度安全系数；D为疲劳累积损伤值。根据GL规范必须满足相应的约束：S>1，D<1。

1. 塔筒壁厚对塔筒门框焊缝强度的影响

塔壁厚度的初始设计尺寸: 。静强度和疲劳均不满足设计要求，故塔筒壁厚向上取值，分别取值42mm、45mm、48mm。采用上文中所述分析方法及步骤对门框焊缝的应力及疲劳损伤进行计算。

具体分析结果如下表；

表4. 1 不同塔筒壁厚的静强度及疲劳寿命计算结果

分析模型（不同塔筒壁厚）	静强度安全系数	疲劳累积损伤值
初始设计模型t=38mm	0.903	5.90
Model_t1: t=42mm	0.995	9.01
Model_t2: t=45mm	1.087	14.44
Model_t3: t=48mm	1.205	46.79

2. 门框参数对焊缝强度的影响

1. 加劲条厚度的影响

图4. 1 塔筒门框结构参数示意

由于门框内圈的几何参数受到已有约束不能改变，因此通过调整门框加强圈的参数来改善门框焊缝工况的恶劣程度。先计算分析门框加劲条厚度增大10mm时对焊缝强度的影响。以上述Model_t1模型为基础，加劲条厚度增大。

此时，静强度安全系数为 ，计算疲劳损伤为 。

对比Model_t1的计算结果，焊缝处静强度略有提高，但几乎忽略，而疲劳损伤值大幅增加，故不对门框加劲条的厚度进行调整。

2. 加强条截面参数的影响

门框初始设计方案 ，为了分析研究加劲条长度和加劲条凸出塔筒壁厚尺寸对门框焊缝强度的影响，以上文Model_t2为基础调整，分别分析如下各个参数组合。

表4. 2 加劲条参数组合

初始模型Model_t2
Model_t2_para1	260	90
Model_t2_para2	330	90
Model_t2_para3	330	95
Model_t2_para4	330	130

分别计算对应的塔筒门框焊缝静强度及疲劳损伤如下：

表4. 3 不同门框参数门框焊缝的静强度安全系数及疲劳累积损伤

分析模型（不同塔筒壁厚）	静强度安全系数	疲劳累积损伤值
Model_t2_para1	1.024	69.30
Model_t2_para2	1.180	11.58
Model_t2_para3	1.171	0.404
Model_t2_para4	1.156	32.04

3. 优化后塔筒门框焊缝强度

在基于塔筒壁厚、门框加劲条长度、加劲条凸出塔壁尺寸对塔筒门框焊缝强度的分析后，最终设计方案为

依据上文材料参数，此时对应厚度的屈服强度 。塔架门框焊缝最危险节点的最大损伤为0.386，该危险点对应的载荷工况的载荷旋转角度为285°，满足规范设计要求。

小结

根据计算结果，对比分析得到一些结论：随着塔筒壁厚的增加，塔筒门框焊缝的静强度安全系数略有提升，收益很小，而相应的累积疲劳损伤显著增大。对塔筒门框焊缝强度没有太大改善。本章重点分析了门框截面参数及位置对焊缝造成的影响，当塔筒门框加劲条长度增大时，焊缝处静强度安全系数得到了显著提升。同时在相同加劲条长度下，加劲条相对塔筒壁不同的位置直接影响焊缝处的最大累积疲劳损伤，当其凸出塔筒外壁95mm时，损伤值为0.404，相应的静强度安全系数为1.171。对比各个分析模型，对单一结构参数变量的调整，并不能同时、显著提高焊缝处静强度及疲劳强度，故需要同时综合考虑多个参数变量对焊缝的影响，最终使其达到设计要求。

参考文献

1. 贺德馨. 风能技术发展中的几个问题. 世界科技研究与现状. 2003(8)

2. 杜平安，甘娥忠，于亚婷. 有限元法原理建模与应用. 国防工业出版社，2004: 132-151

3. 陈砺，王红林，方立国.能源概论[M].北京：化学工业出版社，2009.

4. 苪晓明，柳亦兵，马志勇.风力发电机组设计[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

5. Structures, 2012(54): 140-155.

6. DIN18800-1:1990 钢架结构.

7. Hobbacher A. Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. International Institute of Welding, doc. XIII-1965r14-03/XV-1127r14-03.Paris, France, 2006.

8. Guideline for the Certification of Wind Turbines, Cermanischer Llogd Wind Energie GmbH, 2010.

9. EN1993, Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-9: Fatigue, 2005

3