风电机舱罩结构形貌优化浅析（SolidThinking Inspire 应用实例）

0.前言

风电机舱罩是兆瓦级风力发电机组的外壳，保护机组内部设备不受外部环境因素的干扰和侵害。主要由底罩、顶罩、通风口、支撑板、护罩等部件组成。它承受的载荷复杂多变，需要有较高强度和承载能力; 工作环境恶劣，需要防沙防尘和耐腐蚀性能; 安装于主机架和框架上，自身重量对本体结构安全稳定性能影响较大^{【7】【9】}

目前的机舱罩优化，主要是对机舱罩有限元计算方法和机舱罩结构形式以及其材料性能进行研究探讨^{【1】【4】}，或者对机舱罩加强筋分布方式进行讨论研究^【2】，相关研究更多的是从机舱罩壳体结构计算和结构设计为出发点，对机舱罩加强筋本身的大小、分布方式对于结构性能影响的研究尚且不多。在对多个机型的风电机舱罩进行有限元计算分析，同时参考了部分机舱罩强度分析文献^{【5】【6】}后发现，决定机舱罩重量、强度以及稳定性的最关键因素正是加强筋的大小和分布方式，所以有必要对加强筋这两个特性的优化方向进行相关的研究分析。

1.极限风速载荷及模型材料参数

对机舱罩进行强度优化分析时，根据GL规范^【10】中所规定的载荷及载荷安全系数要求，对于不同的载荷工况，有限元计算方法是相同，所以本文以极限风载中的正向风吹工况为例进行分析计算阐述。鉴于国内三北地区的相关风电政策限制，近几年国内整机安装多位于国内东南及西南方向，该区域风场类型多为Ⅲ类风场，本文风速载荷选取50年一遇的极限风速52.5m/s作为计算模型的极限风速。

2.优化计算模型

机舱罩一般为分片组装结构，壳体的主流结构形式为玻璃钢复合材料铺层和泡沫材料夹芯两种结构形式^{【3】【5】}，泡沫材料夹芯为国内最近两年才逐渐应用的结构形式，一般不做加强筋或者仅有极少数的加强筋。而玻璃钢复合材料铺层的壳体内部均有用于连接的支撑板和用于加强结构的加强筋，加强筋又分为横筋和竖筋两种，如图2所示。

优化建模模型使用的是目前较多整机厂家采用的典型箱型结构，其中左右罩体为对称结构。考虑到风电机组的维护，如发电机维修更换、齿轮箱更换等，机舱罩的顶罩均有大小不一的开口结构，而底罩则需要考虑逃生孔、小部件吊装孔等结构开口，如图3所示，所以顶罩和底罩不适用于通用结构优化分析，为了计算结果的一般适用性，选择机舱罩侧罩为分析对象。优化对象玻璃钢机舱罩采用真空灌注工艺制成约长10.4m，宽4.2m，高4.4m。计算网格尺寸为5mm，单元类型为shell63单元。对机舱罩整体强度进行优化分析时，为了便于建立有限元模型，根据有限元理论和结构力学，对机舱罩的几何模型作了简化处理。机舱罩每侧侧罩均有四根金属支持板，因为优化分析目标为壳体的加强筋大小和分布形式，所以初始结构中没有加强筋结构，如图4所示。

加强筋大小对结构的影响

3.1加强筋尺寸小范围变化的影响

机舱罩加强筋截面一般为三角形或者梯形，底边的长度一般为50mm至150mm之间。本文选取加强筋梯形截面为分析对象，底边长度以中间值75mm作为标准对比值，即加强筋的底部最小宽度和最大深度均75mm，选取65mm和85mm为对比值，底角角度均为60deg。边界条件设置以GL标准为依据，即约束加强板并施加面载荷，具体载荷见前文。图5和图6为竖筋和横筋的计算结果，主要分析不同加强尺寸对于结构的影响。

由图可以看出，在保持最大刚度的前提要求下，不同大小的加强筋分布方式确实发生了变化，主要为加强筋间距发生了变化，加强筋的数量并没有发生变化。这说明机舱罩壳体厚度一定的前提下，加强大小在强度计算时只是影响筋的分布情况。增加一条100mm宽加强筋所增加的重量约为增加一条50mm宽加强筋重量的3至4倍，结合上述计算结果可知，机舱罩强度计算时使用小筋比使用大筋有优势。当然，机舱罩计算复核按照GL标准还需变形和结构稳定性同时满足标准要求，这两项计算标准主要与加强筋的分布方式相关，根据相关计算报告和文献，筋越小分布越密集结构的变形越小，其稳定性性能越高。受限于加工工艺的相关标准和实现加工条件的要求，国内机舱罩加工企业一般情况下要求加强筋的最小尺寸不小于50mm，所以从变形和稳定性方面考虑，使用小筋也有一定优势。

选取75mm竖筋的形貌优化结果进行强度计算，边界条件与形貌优化的设置相一致，由计算结果图7可以看出，具备加强筋后的结构强度明显变好，原应力较大区域的安全裕度明显提高，小部分区域应力出现增加趋势，结合侧罩的结构特点，可以认定为是结构设计不合理造成的应力奇异现象，在具体结构设计中完全可以避免这类情况的发生。

为了更好的说明，不同加强筋尺寸对于结构的影响，尤其是分析风电标准中有具体要求的几个参数的变化趋势，选取竖筋中的65mm，75mm，85mm三种加强筋尺寸参数优化后的结构进行强度计算。机舱罩实际计算结果中壳体上的应力值一般都很小，出现较大的应力值一般也是结构中的小特征导致的应力奇异等不真实结构，其应力结果一般都能符合相关标准的要求。而结构的变形和稳定性计算则更容易出现不符合标准的情况，所以首先来分析对于变形的影响，结果如图8所示。

由图8可以看出随着加强筋尺寸的增大，机舱罩壳体的变形区域明显增加，其变形最大值也相应的增加了近50%。这是因为随着加强筋尺寸的增大，筋与筋之间的距离也在增大，在风载一定条件下，支撑区间内承受载荷区域面积的增大使得总载荷变大进而导致变形的增大。GL准则规定，在特定载荷下，单个结构元件的最大弯曲挠度不得大于其最大自由范围的1/200，所以变形值增大是向不利方向发展，也就说在机舱罩设计时使用分布较为紧凑的小尺寸加强筋更符合规范要求。

5结束语

具体加强筋尺寸以及分布装态的选择，不仅受制于机舱罩的大小尺寸和内部结构的限制，也很大程度上取决于制作方法及工艺。通过对不同尺寸的加强筋进行的形貌优化，仍然可以得到一些适用性很高的结论，也能为机舱罩的前期设计提供一些实用的策略和建议。本文仅从加强筋形貌优化的一般结果进行简单分析，希望能对设计人员的初期设计方向提供一点建议从而节省机舱罩的整体设计时间。使用设计完成的模型再进行多次迭代计算，不断的修改模型无疑会得到更精准的结论，所以结论实际应用中还需要设计人员根据自己的经验和实际情况具体选择。根据前文的分析，可以得到一些结论。确定结构的加强筋分布，需要先根据其他设计要求确定支撑板位置，在加强筋大致尺寸确定后，再进行尺寸形貌优化分析确定加强筋位置。使用较小尺寸的加强筋可以在同等重量下提高机舱罩壳体的强度，使用较小尺寸的加强筋也可以更好的抵御风载对结构变形的影响。加强筋的尺寸和分布确定后，应分析其承受拉压力区域，避免交变载荷的出现。如果结构设计和工艺成本允许，可为机舱罩壳体设计横向加强筋，其尺寸大小和分布规律与竖加强筋相一致。