考虑螺栓松动效应的风电机组混合结构塔筒静动力特性研究

摘    要 

面对环境问题严峻和能源短缺的现状，全球正致力于实现可再生能源逐步替代传统化石能源。风力发电是目前最具开发利用前景的可再生能源发电方式，世界各国在面对风电行业降本增效的需求下不断提升技术研发水平。机组大型化是风电领域的研发重点之一，风电机组现有塔筒形式在机组大型化趋势中出现了各种发展瓶颈，为此本课题组提出了一种新型风电机组混合结构塔筒。风电行业还面临着事故频发的问题，风电塔倒塌的重要因素之一是风电机组运行环境恶劣，塔筒法兰螺栓在振动条件下容易发生松动，导致塔筒结构失效。本课题组提出的新型风电机组混合结构塔筒上部为分段钢塔筒，下部为分段钢-混凝土组合塔筒，各节塔筒段之间均采用法兰螺栓连接结构形式。因此本文对法兰螺栓的松动机理以及螺栓群松动状态下的风电机组混合结构塔筒的静动力特性开展了系统研究。主要内容如下： 

①将塔筒法兰螺栓连接结构等效为L型法兰单颗螺栓连接结构，对L型法兰螺栓开展偏心振动条件下的松动试验，得到了动力响应曲线和螺纹表面损伤形貌，揭示了法兰螺栓的松动机理，并分析了螺距、预紧力、载荷幅值、载荷频率等参数对螺栓松动行为的影响规律。 

②参考位于江苏某风电场的2.2MW风电机组混合结构塔筒尺寸，以螺栓松动位置和松动比例两个参数量化螺栓松动条件，利用有限元模拟方法分析了螺栓松动对混合结构塔筒下部组合塔筒在顶部水平推力作用下的静力特性的影响，并利用参数回归拟合方式确定了考虑螺栓松动效应的组合塔筒的刚度与承载力的折减系数计算公式。 

③利用风电机组混合结构塔筒整体有限元模型进行模态分析，得到了前六阶固有频率和振型，分析了螺栓松动比例对混合结构塔筒动力特性的影响，确定了对螺栓松动比例敏感性最高的阶数，并利用参数回归拟合方式给出了考虑螺栓松动效应的风电机组混合结构塔筒的固有频率的折减系数计算公式。 

④为防止螺栓松动效应对风电机组塔筒的安全性产生不利影响，利用 L型夹具对典型防松螺栓连接结构补充开展了松动试验，对比分析了各防松措施在偏心振动条件下的防松性能，为工程应用提供参考。 

关键词：混合结构；风电机组塔筒；螺栓松动；静力特性；动力特性 

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