一种混凝土塔筒承载能力分析方法与流程

1.本发明属于风力发电领域，特别是涉及一种混凝土塔筒承载能力分析方法。


背景技术：

2.随着风机单机容量的增加，叶轮直径越来越大，塔筒也越来越高。钢混式塔筒是一种高塔筒结构形式，其下部为预应力混凝土塔筒，上部为钢塔筒。由于塔筒是风力发电机组的主要支撑部件，受力比较复杂，因此验算混凝土塔筒的承载能力非常重要。
3.目前对混凝土塔筒的研究多采用工程算法和有限元分析方法，2021年3月的《太阳能学报》公开了一篇名称为“mw级风电机组钢筋混凝土塔筒稳定性分析”的论文，该论文建模时对部件间的连接进行了简化，无法准确描述塔筒实际的结构，在该论文中，建模时混凝土塔筒段之间采用绑定连接，但在实践操作中虽然混凝土塔筒水平缝及竖向缝间采用高强灌浆料，但在运行中仍存在脱开的可能性，把混塔段整体建模或相关连接都设置为绑定接触无法反应真实的结构，从而使得混凝土塔筒承载能力的计算结果不够准确。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种混凝土塔筒承载能力分析方法，以解决现有技术中建模时对部件间的连接进行了简化，混凝土塔筒承载能力的计算结果不够准确的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明所提供的混凝土塔筒承载能力分析方法的技术方案是：
6.一种混凝土塔筒承载能力分析方法，包括以下步骤：
7.s1、采用三维绘图软件建立混凝土塔筒段、混凝土塔筒基础、预应力钢绞线、钢筋、转接环及部分钢塔筒段的几何模型并进行模型装配；
8.s2、将建立好的模型导入有限元软件中进行网格划分，同时施加相应的材料属性；
9.s3、设置预应力钢绞线一端与钢塔筒法兰耦合，另一端与混凝土塔筒基础耦合，将钢筋与混凝土采用embedded region嵌入方式连接，将混凝土塔筒各分片之间、混凝土塔筒各段之间和转接环与钢塔筒之间的接触关系设置为摩擦接触；
10.s4、计算并分析混凝土塔筒的承载能力。
11.有益效果为：本发明为改进型发明创造。本发明在建立有限元模型时充分考虑了钢混塔筒的实际结构，分片建立每节塔筒，采用摩擦接触设置每节塔筒间的连接，使得建立的混凝土塔筒的有限元模型更加符合实际，受力更加真实，提高了混凝土塔筒承载能力的分析结果的准确性。
12.更进一步的，在步骤s2中，将混凝土塔筒、混凝土塔筒基础、转接环及钢塔筒采用实体单元模拟，将预应力钢绞线和钢筋采用桁架单元模拟，将钢塔筒材料采用理想弹塑性模型，将混凝土的材料本构曲线按《混凝土结构设计规范》要求选取。
13.有益效果为：根据塔筒的实际结构选取相应的材料属性，能够使建立的混凝土塔筒的有限元模型更加符合实际，受力更加真实，提高了混凝土塔筒承载能力的分析结果的准确性。
14.更进一步的，在步骤s4中，在钢塔筒顶部中心建立节点，节点与钢塔筒端面建立耦合，用以施加载荷，在进行计算时，对运行荷载工况、极限不含安全系数载荷工况和极限含安全系数载荷工况进行评估，在完成评估后，得到混凝土塔筒段最大拉应力、混凝土塔筒段最大压应力、预应力钢绞线的等效应力和钢筋的等效应力。
15.有益效果为：通过模拟三种不同的工况更全面的考虑了风机运行的不同工作环境，提高了安全性。
16.更进一步的，在步骤s4中，根据以下步骤对运行荷载工况、极限不含安全系数载荷工况和极限含安全系数载荷工况进行评估：
17.第一步：采用降温法对预应力钢绞线施加预拉力；
18.第二步：施加重力载荷；
19.第三步：在钢塔筒中心施加极限载荷。
20.有益效果为：采用降温法对预应力钢绞线施加预拉力，能够保证重力载荷施加后钢绞线预应力为考虑损失后的值，能够更好地模拟实际情况，提高了混凝土塔筒承载能力的分析结果的准确性。
21.更进一步的，在步骤s4中，将混凝土塔筒段最大拉应力与混凝土抗拉强度值进行比较便可校核混凝土拉应力；将混凝土塔筒段最大压应力与混凝土抗压强度值进行比较便可校核混凝土压应力；将预应力钢绞线的等效应力与钢绞线极限屈服强度进行比较便可校核钢绞线强度；将钢筋的等效应力与钢筋屈服强度进行比较便可校核钢筋的强度。
22.有益效果为：通过校核混凝土拉应力、混凝土压应力、校核钢绞线强度和钢筋的强度能够从不同角度验算塔筒承载能力，提高风机运行安全性。
附图说明
23.图1为本发明中混凝土塔筒承载能力分析方法具体实施例1的混凝土塔筒的有限元模型示意图；
24.图2为本发明中混凝土塔筒承载能力分析方法具体实施例1的钢绞线的示意图；
25.图3为本发明中混凝土塔筒承载能力分析方法具体实施例1的钢筋的示意图。
26.附图标记说明：
27.1、混凝土塔筒基础；2、混凝土塔筒；3、转接环；4、钢塔筒；5、预应力钢绞线；6、钢筋。
具体实施方式
28.以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
29.本发明所提供的混凝土塔筒承载能力分析方法的具体实施例1：
30.本发明的计算方法采用abaqus(有限元分析软件)为实施工具，本具体实施例1以某风机混凝土塔筒承载能力的分析方法进行具体说明，该计算方法包括如下步骤：
31.s1、建立混凝土塔筒的几何模型
32.在三维绘图软件中建立混凝土塔筒段、混凝土塔筒基础、预应力钢绞线、钢筋、转接环及部分钢塔筒段的几何模型并进行模型装配，同时忽略塔筒平台及爬梯等附属结构。
33.s2、将模型导入有限元软件中进行网格划分，同时施加相应的材料属性
34.如图1-3所示，混凝土塔筒、混凝土塔筒基础、转接环及钢塔筒采用实体单元模拟，预应力钢绞线和钢筋采用桁架单元模拟，钢塔筒材料采用理想弹塑性模型，混凝土的材料本构曲线按《混凝土结构设计规范》要求选取。
35.s3、设置接触关系和边界条件
36.预应力钢绞线一端与钢塔筒法兰耦合，另一端与混凝土塔筒基础耦合，钢筋与混凝土采用embedded region嵌入方式连接，混凝土塔筒各分片之间、混凝土塔筒各段之间和转接环与钢塔筒之间的接触关系设置为摩擦接触，在混凝土塔筒基础端面施加固定约束。
37.s4、载荷施加
38.在钢塔筒顶部中心建立节点，节点与钢塔筒端面建立耦合，用以施加载荷。
39.强度计算共进行3个工况的评估，运行荷载工况、极限不含安全系数载荷工况和极限含安全系数载荷工况。其中每个工况采用三步加载求解，第一步采用降温法对钢绞线施加预拉力，保证重力载荷施加后钢绞线预应力为考虑损失后的值，第二步施加重力载荷，第三步在钢塔中心施加极限载荷。
40.s5、混凝土塔筒承载能力校核
41.在第四步计算后能够得到混凝土塔筒段最大拉应力、混凝土塔筒段最大压应力、预应力钢绞线的等效应力和钢筋的等效应力。
42.将混凝土塔筒段最大拉应力与混凝土抗拉强度值进行比较便可校核混凝土拉应力。
43.将混凝土塔筒段最大压应力与混凝土抗压强度值进行比较便可校核混凝土压应力。
44.将预应力钢绞线的等效应力与钢绞线极限屈服强度进行比较便可校核钢绞线强度。
45.将钢筋的等效应力与钢筋屈服强度进行比较便可校核钢筋的强度。
46.本发明在建立有限元模型时充分考虑了钢混塔筒的实际结构，分片建立每节塔筒，采用摩擦接触设置每节塔筒间的连接，使得建立的风力发电机组混凝土塔筒的有限元模型更加符合实际，受力更加真实，提高了混凝土塔筒承载能力的计算结果的准确性。
47.最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种混凝土塔筒承载能力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采用三维绘图软件建立混凝土塔筒段、混凝土塔筒基础、预应力钢绞线、钢筋、转接环及部分钢塔筒段的几何模型并进行模型装配；s2、将建立好的模型导入有限元软件中进行网格划分，同时施加相应的材料属性；s3、设置预应力钢绞线一端与钢塔筒法兰耦合，另一端与混凝土塔筒基础耦合，将钢筋与混凝土采用embedded region嵌入方式连接，将混凝土塔筒各分片之间、混凝土塔筒各段之间和转接环与钢塔筒之间的接触关系设置为摩擦接触；s4、计算并分析混凝土塔筒的承载能力。2.如权利要求1所述的混凝土塔筒承载能力分析方法，其特征在于，在步骤s2中，将混凝土塔筒、混凝土塔筒基础、转接环及钢塔筒采用实体单元模拟，将预应力钢绞线和钢筋采用桁架单元模拟，将钢塔筒材料采用理想弹塑性模型，将混凝土的材料本构曲线按《混凝土结构设计规范》要求选取。3.如权利要求1所述的混凝土塔筒承载能力分析方法，其特征在于，在步骤s4中，在钢塔筒顶部中心建立节点，节点与钢塔筒端面建立耦合，用以施加载荷，在进行计算时，对运行荷载工况、极限不含安全系数载荷工况和极限含安全系数载荷工况进行评估，在完成评估后，得到混凝土塔筒段最大拉应力、混凝土塔筒段最大压应力、预应力钢绞线的等效应力和钢筋的等效应力。4.如权利要求3所述的混凝土塔筒承载能力分析方法，其特征在于，在步骤s4中，根据以下步骤对运行荷载工况、极限不含安全系数载荷工况和极限含安全系数载荷工况进行评估：第一步：采用降温法对预应力钢绞线施加预拉力；第二步：施加重力载荷；第三步：在钢塔筒中心施加极限载荷。5.如权利要求3或4所述的混凝土塔筒承载能力分析方法，其特征在于，在步骤s4中，将混凝土塔筒段最大拉应力与混凝土抗拉强度值进行比较便可校核混凝土拉应力；将混凝土塔筒段最大压应力与混凝土抗压强度值进行比较便可校核混凝土压应力；将预应力钢绞线的等效应力与钢绞线极限屈服强度进行比较便可校核钢绞线强度；将钢筋的等效应力与钢筋屈服强度进行比较便可校核钢筋的强度。

技术总结
本发明属于风力发电领域，特别是涉及一种混凝土塔筒承载能力分析方法。本发明所要解决的技术问题为现有技术中混凝土塔筒承载能力的计算结果不够准确。本发明公开了一种混凝土塔筒承载能力分析方法，包括以下步骤：S1、建立混凝土塔筒段、混凝土塔筒基础、预应力钢绞线、钢筋、转接环及部分钢塔筒段的模型；S2、将模型导入有限元软件中进行网格划分，施加相应的材料属性；S3、设置预应力钢绞线一端与钢塔筒法兰耦合，另一端与混凝土塔筒基础耦合，将钢筋与混凝土采用Embedded region嵌入方式连接，将混凝土塔筒各分片之间、混凝土塔筒各段之间和转接环与钢塔筒之间设置为摩擦接触。本发明能够达到提高混凝土塔筒承载能力的分析结果准确性的技术效果。准确性的技术效果。准确性的技术效果。


技术研发人员：董姝言 孟令锐 杨扬 王卓 李成晨 苏凤宇
受保护的技术使用者：许昌许继风电科技有限公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/9/5