1、77风力机塔筒涡流激振分析软件系统开发及应用胡宗邱1龚学进2杨张斌1王其君2张斯翔11.中国三峡建工（集团）有限公司，成都 610000；2.东方电气风电股份有限公司，四川 德阳 618000摘要：在风电机组塔筒涡激振动分析软件系统的开发过程中，采用面向对象的开发工具 VB 编制了基于 Windows 操作系统的应用软件，实现了塔筒涡流横向振动计算的图形化、可视化，工程设计人员在良好人机交互界面菜单引导下实现 1 分钟时间内快速完成整个设计计算分析流程。通过对某案例多工况分析验证了软件的可靠性和实用性，该软件系统的开发对提高风电机组设计效率和可靠性具有较好的指导意义和经济效益。关键词：风电机组
2、塔筒；涡激振动；VB；面向对象；软件开发中图分类号:TK83文献标识码：A文章编号：1001-9006（2022）04-0077-06Development and Application of Software System for Vortex-inducedVibration Analysis of Wind Turbine TowerHU Zongqiu1,GONG Xuejin2,YANG Zhangbin1,WANG Qijun2,ZHANG Sixiang1(1.China Three Gorges Construction Engineering Corporation,610
3、000,Chengdu,China;2.Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,618000,Deyang,Sichuan,China)Abstract:In the development process of wind turbine tower vortex induced vibration analysis software system,theapplication software based on Windows operating system is compiled by using the object-oriented develop
4、ment tool VB,which realizes the graphical and visual calculation of tower vortex lateral vibration.Under the guidance of goodman-machine interactive interface menu,engineering designers can quickly complete the whole design calculation andanalysis process within 1 minute.The reliability and practica
5、bility of the software are verified by the multi conditionanalysis of one case.The development of the software system has good guiding significance and economic benefits toimprove the design efficiency and reliability of wind turbine.Key words:wind turbine tower;vortex-induced vibration;VB;object or
6、iented;software development1收稿日期：2022-06-28基金项目：中国长江三峡集团有限公司科研项目。作者简介：胡宗邱（1988），男，2013 年毕业于华中科技大学流体机械及流体工程专业，硕士，高级工程师，参与三峡集团与东方风电10 MW 海上风电机组联合研制与示范应用项目。风电塔筒在风载作用下存在顺风向和横风向振动，有时横风向振动不容忽视、影响因素很多，在设计中主要考虑塔筒涡激横向振动。在经济效益最大化的推动下，风电机组正朝着大功率、大风轮直径、高塔筒的方向发展，其整机一阶固有频率会降低，由此带来的塔筒结构振动问题也越来越突出。在机组吊装过程、调试并网前期和运维
7、期间，若涡激振动考虑不当，机组及人员安全将受到威胁。最早、最系统的涡激机理研究来源于欧标15，国内学者对风电机组塔筒涡激振动原理、风险危害等方面也做了大量的理论和实验研究610。风电机组塔筒涡激振动分析存在输入参数多、计算原理和分析流程较复杂等特点，业内多采用手动计算方式，设计繁琐落后、效率低下、计算结果DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2022.04.01678可靠性不高。为呼应国内制造业转型升级和智能化制造需求，计算机辅助软件开发在机械制造业中得到了极大推广1113。本文通过对塔筒涡激振动分析原理、计算流程等深入研究，利用 VB 语言开发了一套完整的塔筒涡激分析软
8、件系统，在友好的人机操作界面下通过不同菜单和按钮引导可快速完成塔筒多工况涡激振动分析，开发的软件系统具有操作简单、高可靠性、高性价比的特点，该软件系统的开发对丰富风电机组机械设计方法具有一定的借鉴和指导意义。1塔筒涡激振动分析理论依据当风载荷作用时，在特定条件下高耸结构两侧或背面会产生两道非对称排列的旋涡，其中一侧的旋涡若按顺时针方向转动，则另一旋涡按逆时针方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，即卡门涡街。结构由于漩涡发放而产生的垂直于来流方向的振动即为涡激振动。涡激振动兼有强迫振动与自激振动的性质，是一种在低风速下易于发生的振动。考对于风电机组塔筒横截面为圆形，则风绕流塔筒产生的卡门涡街以及升阻
9、力方向如图 1 所示。图 1 卡门涡街与升阻力方向对于风电机组圆柱形塔筒而言，决定圆柱绕流流态主要因素的是雷诺数值 Re，来流湍流度、柱体表面粗糙度以及边界条件等因素也会对绕流产生一定程度的影响。风绕流塔筒产生的升力主要由卡门涡街造成，其方向垂直于来流方向，为脉动力，频率与漩涡脱落频率相同；绕流阻力主要由摩擦以及压差等因素造成，包括沿流向稳定的阻力和沿流向脉动的阻力。当涡流脱落频率与机组一阶弯振固有频率 f 相同时的风速为临界风速Vcrit，其中Vcrit=d f/St。根据规范1，仅考虑塔筒涡流对筒体焊缝损伤影响时，在工程算法中将圆柱体型塔筒的斯特劳尔数 St取值 0.18，等效激振位置的筒
10、体直径 d 取5/6H 处的横截面外径（H 为塔筒高度），雷诺数Re=d Vcrit,空气黏度取 1.5e-5m2/s。塔筒发生涡振时第 i 节筒体受到的横向惯性力Fi=mi(2f)2iYmax。其中 n 为筒体总分节数，i 自下而上取值 1、2、n，mi为第 i 段筒体质量，i为第 i 段筒体归一化后的振型，Ymax为塔筒最大等效振幅。惯性力计算过程所有中间量取值方法详见规范1-3。塔筒发生涡振时第 i 节筒体受到第 i 节以上所有横向惯性力Fi产生的附加弯矩：Mi=Fi+Fi+1+Fnhi+Mi+1,其中hi为第 i 到(i+1)两惯性力作用点间距.根据载荷Fi和Mi就可以计算筒体节 i
11、横截面上对应的名义等效应力值，最后根据对接焊缝 SN 曲线45计算当前涡激横振载荷下的许用循环次数，根据规范13计算实际涡激载荷循环系数，最后根据Miner 理论计算涡激横整下塔筒横向焊缝的累积损伤。GL 规范5规定涡激振动产生的损伤须小于机组运行设计寿命期间总损伤的 1/20。2软件系统具体设计方法面向对象的软件设计方法以其人机数据交互友好性和逻辑思维通畅等优点而深受到广大工程设计人员喜欢，该方法以被广泛应用于机械设计的各种领域中。软件主界面将整个设计流程模块化、流程化，使用程序代码方式可以使整个设计过程从“参数输入-中间变量-终端参数输出”更加直观、清晰易懂，整个程序的开发具有极大灵活性和
12、拓展性。面向对象设计方法具有对象、方法和属性等基本要素，结合对象将一个复杂系统进行模块化分割和集成。采用面向对象的程序开发语言 VB 对提高风电机组塔筒设计效率和可靠性具有极大的优势。图2 为塔筒涡激分析软件开发主框架拓扑图，登陆界面主要是用于管理软件使用人员账号和密码，程序主界面中各独立模块间共性数据可以实现相互调用。图 2 软件开发主框架拓扑图79软件编制时先建立 VB 窗体Form、Command、Textbox 控件按钮等对象，然后编制窗体事件、过程和自定义函数等。各模块输入参数可采用 textbox等控件手动逐项输入或自编函数get_tower_datas整体数据导入两种模式，塔筒设
13、计完成后关键数据利用自定义函数 write_tower_section2020 自动导出，筒 体 设 计 参 数 存 储 在 Output_Tower_design_datas_for_paper.mac文件中，塔筒参数自动导出和导入程序截取片段如下图 3：保存塔筒数据到指定文件中Private Function write_tower_section2020()Dim i,j,kAs IntegerOpen Output_Tower_design_datas_for_paper.mac-For Output As#2存储相关参数With fg1k=0For i=2 To.Rows-1获取塔筒
14、最大分节数For j=2 To k+1Print#2,Val(.TextMatrix(j,0);Tab(6);NextEnd WithCloseEnd FunctionCloseEnd Function读取塔筒筒体基本信息Private Function get_tower_datas()With fg1For j=2 To.Rows-1 find_data(j,i)查询函数For i=1 To.Cols-1.TextMatrix(j,i)=find_data(j+2,i+1)NextNextEnd Function图 3塔筒参数自动导出和导入程序截取片段塔筒设计常见材料 Q355,Q390,
15、Q235 等的力学性能参数利用程序录入到材料库中，软件运行过程中可以自动查询和应用。模态分析模块充分利用Dos批 处 理 优 势，通 过 简 单 的 命 令Modal_solve_tower.bat 在 10s 内实现一键式后台调用 Ansys 程序(不用打开 Ansys 界面)并输出计算结果。调用程序如下：e:ansysbinwinx64ANSYS160.exe-b-iModal_ANSYS_FEA_APDL.MacModal_ANSYS_FEA_APDL.Mac 文件为模态基频计算程序自动生成的ANSYS软件APDL程序，其中塔筒采用变截面梁单元方式建模，其 APDL 程序截取片段如下图
16、4：/PREP7ANTYPE,MODALMODOPT,SUBSP,100ET,1,BEAM188ET,2,MASS21ET,3,COMBIN14,1MP,DENS,1,8007MP,EX,1,206000000000MP,NUXY,1,0.3R,1,0,0,0R,2,64000000000N,1,0,0.000N,2,0,2.750N,3,0,5.500N,4,0,8.000N,35,0,88.400N,200,0,91N,300,0.6N,301,-0.6N,302,0.6N,400,-3.530,92.847SECTYPE,1,BEAM,CTUBESECOFFSET,CENTSECDATA,2.206,2.250,60TYPE,1MAT,1SECNUM,1$E,1,2D,300,ALLD,301,ALLD,302,ALLFINISH/SOLUSOLVEFINISH!节点坐标/振型提取程序Write_ResultList_node!基频自动提取程序Write_frequency_modal图 4APDL 程序截取片段80涡 激 振 动 损 伤 计 算 主 函 数 get_tower_
