權(quán)利要求書： 1.一種風機塔筒預應力自振頻率的計算方法，其特征在于，包括：S1：將實際塔筒空間結(jié)構(gòu)簡化為垂直于地面的塔筒平面結(jié)構(gòu)，以塔筒底面中心點為原點、主風向為x軸以及豎直方向為z軸，構(gòu)建單自由度體系力學模型；

S2：設定所述塔筒平面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度EI(z)及質(zhì)量密度m(z)，其中，所述彎曲剛度EI(z)及質(zhì)量密度m(z)均沿豎直方向呈線性變化；

S3：將塔筒頂部的發(fā)動機及輪轂簡化為集中質(zhì)量M，其對塔筒的預應力為集中質(zhì)量自重產(chǎn)生的豎直方向壓力N＝Mg；

S4：根據(jù)Rayleigh能量法，求出風力機塔筒結(jié)構(gòu)一階預應力固有頻率值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算方法，其特征在于，所述S4之前，還包括：S41：構(gòu)造風機簡化模型在水平向特定荷載下的變形形狀函數(shù)ψ(z)：式中，z∈[0,H]，H為塔筒在豎直狀態(tài)下的高度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算方法，其特征在于，所述S4之前，還包括：*

S42：求出風機塔筒簡化模型的廣義質(zhì)量m：式中，ρ為材料密度，t為筒壁的加權(quán)平均厚度，D為塔筒底部的中直徑，d為塔筒頂部的中直徑，m′為法蘭盤和頂部機艙、發(fā)動機及螺栓質(zhì)量總和，H為塔筒在豎直狀態(tài)下的高度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的計算方法，其特征在于，所述S4之前，還包括：S43：求出風機塔筒簡化模型的廣義彎曲剛度k*：式中，E為材料的彈性模量，H為塔筒在豎直狀態(tài)下的高度，為塔筒截面的平均等效慣性矩；

其中，塔筒截面的平均等效慣性矩

式中，D為塔筒底部的中直徑，d為塔筒頂部的中直徑，t為筒壁的加權(quán)平均厚度。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的計算方法，其特征在于，所述S4之前，還包括：S44：求出風機塔筒簡化模型的廣義幾何剛度

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的計算方法，其特征在于，所述S4之前，還包括：S45：求出風機塔筒簡化模型的聯(lián)合廣義剛度

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的計算方法，其特征在于，所述一階預應力固有頻率值f：式中，ρ為材料密度，t為筒壁的加權(quán)平均厚度，D為塔筒底部的中直徑，d為塔筒頂部的中直徑，m′為法蘭盤和頂部機艙、發(fā)動機及螺栓質(zhì)量總和，E為材料的彈性模量，H為塔筒高度，為塔筒截面的平均等效慣性矩。

說明書： 風機塔筒預應力自振頻率的計算方法技術領域[0001] 本發(fā)明涉及的是風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)技術領域，具體涉及一種風機塔筒預應力自振頻率的計算方法。

背景技術[0002] 因風能具有可再生、無污染、廣分布、低成本等突出優(yōu)勢，近年來，風力發(fā)電在各國得到了持續(xù)關注和重點發(fā)展。從上世紀90年代起，錐臺型的鋼管塔筒由于安裝及維護簡單、剛度大、登塔安全等特點，逐漸成為當前風力機的主流塔架結(jié)構(gòu)形式。

[0003] 風力機塔筒由數(shù)段鋼制錐筒組成，各段通過螺栓和法蘭連接，其質(zhì)量主要集中于塔筒頂部，以一階振型控制為主。塔筒在長期服役過程中，一方面，風荷載、波浪荷載會使塔架一直處于小振狀態(tài)；另一方面，颶風、地震等作用可引發(fā)塔架劇烈顫振變形，可能出現(xiàn)整

個風力機組損毀的災難性事故。因此，掌握塔筒的動力特性對保障其服役期安全至關重要。

[0004] 由于錐臺型塔筒由數(shù)段鋼制錐筒組成，每段錐筒的直徑、壁厚并不一致，除此之外，對于質(zhì)量主要集中于塔筒頂部的風力發(fā)電機來講，機頭載荷作用下會產(chǎn)生應力和預變

形，導致塔筒剛度變化，進而影響塔筒模態(tài)頻率與振型。

[0005] 由于風力發(fā)電機塔筒固有頻率受多重因素的影響，目前沒有可套用的風力發(fā)電機塔筒預應力固有頻率的計算方法，對掌握塔筒的動力特性帶來難度。

[0006] 因此，如何實現(xiàn)對風機塔筒預應力自振頻率的計算，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。

發(fā)明內(nèi)容[0007] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種風機塔筒預應力自振頻率的計算方法，可以實現(xiàn)對風機塔筒預應力自振頻率的計算。

[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：[0009] 一種風機塔筒預應力自振頻率的計算方法，包括：[0010] S1：將實際塔筒空間結(jié)構(gòu)簡化為垂直于地面的塔筒平面結(jié)構(gòu)，以塔筒底面中心點為原點、主風向為x軸以及豎直方向為z軸，構(gòu)建單自由度體系力學模型；

[0011] S2：設定所述塔筒平面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度EI(z)及質(zhì)量密度m(z)，其中，所述彎曲剛度EI(z)及質(zhì)量密度m(z)均沿豎直方向呈線性變化；

[0012] S3：將塔筒頂部的發(fā)動機及輪轂簡化為集中質(zhì)量M，其對塔筒的預應力為集中質(zhì)量自重產(chǎn)生的豎直方向壓力N＝Mg；

[0013] S4：根據(jù)Rayleigh能量法，求出風力機塔筒結(jié)構(gòu)一階預應力固有頻率值。[0014] 優(yōu)選地，所述S4之前，還包括：[0015] S41：構(gòu)造風機簡化模型在水平向特定荷載下的變形形狀函數(shù)ψ(z)：[0016][0017] 式中，z∈[0,H]，H為塔筒在豎直狀態(tài)下的高度。[0018] 優(yōu)選地，所述S4之前，還包括：[0019] S42：求出風機塔筒簡化模型的廣義質(zhì)量m*：[0020][0021] 式中，ρ為材料密度，t為筒壁的加權(quán)平均厚度，D為塔筒底部的中直徑，d為塔筒頂部的中直徑，m′為法蘭盤和頂部機艙、發(fā)動機及螺栓質(zhì)量總和，H為塔筒在豎直狀態(tài)下的高

度。

[0022] 優(yōu)選地，所述S4之前，還包括：[0023] S43：求出風機塔筒簡化模型的廣義彎曲剛度k*：[0024][0025] 式中，E為材料的彈性模量，H為塔筒在豎直狀態(tài)下的高度，為塔筒截面的平均等效慣性矩；

[0026] 其中，塔筒截面的平均等效慣性矩[0027][0028] 式中，D為塔筒底部的中直徑，d為塔筒頂部的中直徑，t為筒壁的加權(quán)平均厚度。[0029] 優(yōu)選地，所述S4之前，還包括：[0030] S44：求出風機塔筒簡化模型的廣義幾何剛度[0031][0032] 優(yōu)選地，所述S4之前，還包括：[0033] S45：求出風機塔筒簡化模型的聯(lián)合廣義剛度[0034][0035] 優(yōu)選地，所述一階預應力固有頻率值f：[0036][0037] 式中，ρ為材料密度，t為筒壁的加權(quán)平均厚度，D為塔筒底部的中直徑，d為塔筒頂部的中直徑，m′為法蘭盤和頂部機艙、發(fā)動機及螺栓質(zhì)量總和，E為材料的彈性模量，H為塔筒高度，為塔筒截面的平均等效慣性矩。

[0038] 本發(fā)明提供的風機塔筒預應力自振頻率的計算方法，可以實現(xiàn)對風機塔筒預應力自振頻率的計算，能夠便于掌握塔筒的動力特性。

附圖說明[0039] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本

發(fā)明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)

提供的附圖獲得其他的附圖。

[0040] 圖1為本發(fā)明所提供計算方法的總流程圖；[0041] 圖2為本發(fā)明中簡化實際塔筒結(jié)構(gòu)為廣義分布柔性單自由度體系的模型示意圖；[0042] 圖3為本發(fā)明構(gòu)造風機簡化模型在水平向特定荷載下的變形形狀函數(shù)的原理示意圖；

[0043] 圖4為本發(fā)明所提供計算方法所應用的3.2MW的風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式[0044] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?br>
本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他

實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

[0045] 本發(fā)明的核心是提供一種風機塔筒預應力自振頻率的計算方法，可以實現(xiàn)對風機塔筒預應力自振頻率的計算。

[0046] 本發(fā)明所提供風機塔筒預應力自振頻率的計算方法的一種具體實施例中，包括以下步驟：

[0047] S1：將實際塔筒空間結(jié)構(gòu)簡化為垂直于地面的塔筒平面結(jié)構(gòu)，以塔筒底部為原點、水平方向為x軸以及豎直方向為z軸，構(gòu)建單自由度體系力學模型。

[0048] 其中，真實風力機塔架結(jié)構(gòu)屬于無限自由度的結(jié)構(gòu)體系，按照廣義分布柔性的力學原理，可將其簡化為單自由度體系。如圖2所示，塔筒平面結(jié)構(gòu)為z軸-x軸平面坐標系中的

二維平面結(jié)構(gòu)。取塔筒底面中心點為坐標原點，沿豎直方向為z軸，沿主風向為x軸，主風向

具體可以為水平方向。

[0049] S2：設定所述塔筒平面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度EI(z)及質(zhì)量密度m(z)。[0050] 其中，彎曲剛度EI(z)和質(zhì)量密度m(z)均沿塔筒高度方向具有變化，高度方向即豎直方向。

[0051] S3：將塔筒頂部的發(fā)動機及輪轂簡化為集中質(zhì)量M，其對塔筒的預應力為集中質(zhì)量自重產(chǎn)生的豎直方向壓力N＝Mg。

[0052] 其中，塔頂在T時刻、x向位移為X(T)，而在在T時刻、高度為z處塔筒x向位移為v(z，T)。[0053] S4：根據(jù)Rayleigh能量法，求出風力機塔筒結(jié)構(gòu)一階預應力固有頻率值。[0054] 基于以上S1至S3的假定，為Rayleigh能量法的使用提供基礎，進而可以求出風力機塔筒結(jié)構(gòu)一階預應力固有頻率值，能夠求解目前沒有系統(tǒng)給出風機塔筒結(jié)構(gòu)的一階預應

力固有頻率的工程解析解。該方法具體可以應用于陸上風力發(fā)電機或海上風力發(fā)電機。

[0055] 進一步地，在S4之前，還包括：[0056] S41：構(gòu)造風機簡化模型在水平向特定荷載下的變形形狀函數(shù)ψ(z)，其中，風機塔筒結(jié)構(gòu)被簡化為懸臂柱，由材料力學可知，在水平均布荷載q作用下，懸臂柱自由端產(chǎn)生的

撓曲線如圖3所示，其形狀函數(shù)為ψ(z)：

[0057][0058] 其中，ZH(T)為塔筒在T時刻、高度H處的x向位移，[0059] 式中，z∈[0，H]，H為塔筒在豎直狀態(tài)下的高度，即不被吹彎時的高度。[0060] 進一步地，在S4之前，還包括：[0061] S42：求出風機塔筒簡化模型的廣義質(zhì)量m*：[0062][0063] 式中，ρ為材料密度，t為筒壁的加權(quán)平均厚度，D為塔筒底部的中直徑，d為塔筒頂部的中直徑，m′為法蘭盤和頂部機艙、發(fā)動機及螺栓質(zhì)量總和；

[0064] 其中，筒壁的加權(quán)平均厚度t：[0065][0066] 其中，n為正整數(shù)，具體可以根據(jù)實際情況進行選取。[0067] 進一步地，所述S4之前，還包括：[0068] S43：求出風機塔筒簡化模型的廣義彎曲剛度k*：[0069][0070] 式中，E為材料的彈性模量，H為塔筒高度，為塔筒截面的平均等效慣性矩；[0071] 其中，塔筒截面的平均等效慣性矩[0072][0073] 進一步地，所述S4之前，還包括：[0074] S44：求出風機塔筒簡化模型的廣義幾何剛度[0075][0076] 式中，N為集中質(zhì)量M對塔筒的預應力，其表達式為N＝Mg。[0077] 進一步地，所述S4之前，還包括：[0078] S45：求出風機塔筒簡化模型的聯(lián)合廣義剛度[0079][0080] 進一步地，一階預應力固有頻率值f具體為：[0081][0082] 本實施例中，對于給定的風力發(fā)電機塔筒結(jié)構(gòu)，可任意改變塔筒的高度、截面尺寸、筒壁厚度、分段材料參數(shù)、塔筒機頭預壓力參數(shù)等，利用以上公式能夠快速得到風力機

塔筒彎曲振動的一階預應力固有頻率值，解決了目前對給定不同高度、截面尺寸、機頭預壓

力及不同分段材料參數(shù)的風機塔筒沒有可以套用的一階預應力固有頻率的計算公式或方

法的問題。

[0083] 上述實施例中提供計算方法的一種具體應用過程如下：[0084] 以圖4所示的3.2MW的風力發(fā)電機為例，給出其廣義質(zhì)量、廣義彎曲剛度、廣義幾何剛度、聯(lián)合廣義剛度，并通過Rayleigh能量法得到風力機塔筒結(jié)構(gòu)一階預應力固有頻率值

的計算，該方法適用于不同分段長度、不同截面尺寸及不同筒壁厚度、機頭預壓力的風力機

塔筒結(jié)構(gòu)。

[0085] 海裝3.2MW陸上風機塔筒為變截面變壁厚薄壁鋼結(jié)構(gòu)，高96.7m，分為5段。風機風輪的質(zhì)量為96.51t，機艙的重量為126.75t，總重為223.26t，法蘭盤及塔筒重量為250.76t。

[0086] 底座第1節(jié)段，高11.2m。該節(jié)段底部中直徑為4.244m，頂部中直徑為4.240m，底部壁厚55mm，上部壁厚35mm。

[0087] 中間2節(jié)段，高15.7m。該節(jié)段底部中直徑為4.240m，頂部中直徑為4.205m，底部壁厚35mm，上部壁厚26mm。

[0088] 中間3節(jié)段，高22.2m。該節(jié)段底部中直徑為4.205m，頂部中直徑為4.140m；底部壁厚26mm，上部壁厚19mm。

[0089] 中間4節(jié)段，高22.1m。該節(jié)段底部中直徑為4.140m，頂部中直徑為4.040m；底部壁厚19mm，上部壁厚14mm。

[0090] 頂部5節(jié)段，高23.9m。該節(jié)段底部中直徑為4.040m，頂部中直徑為3.943m，底部壁厚14mm，上部壁厚11mm。

[0091] 在各分節(jié)段之間，采用法蘭盤進行連接，第1、2節(jié)之間的法蘭盤厚度為150mm，螺孔數(shù)量為126個，2、3節(jié)之間的法蘭盤厚度為125mm，螺孔數(shù)量為92個，3、4節(jié)之間的法蘭盤厚度為90mm，螺孔數(shù)量為96個，4、5節(jié)之間的法蘭盤厚度為75mm，螺孔數(shù)量為88個。

[0092] 在各分節(jié)段之間，采用法蘭盤進行連接，第1、2節(jié)之間的法蘭盤厚度為150mm，螺孔數(shù)量為126個，2、3節(jié)之間的法蘭盤厚度為125mm，螺孔數(shù)量為92個，3、4節(jié)之間的法蘭盤厚度為90mm，螺孔數(shù)量為96個，4、5節(jié)之間的法蘭盤厚度為75mm，螺孔數(shù)量為88個。

[0093] 表1：海裝3.2MW陸上風機塔筒的質(zhì)量統(tǒng)計[0094][0095] 表2：塔筒的相關材料參數(shù)[0096][0097] 計算塔筒的加權(quán)平均厚度：[0098][0099] 計算塔筒的等效慣性矩：[0100][0101] 計算塔筒的廣義質(zhì)量：[0102][0103] 計算塔筒的聯(lián)合廣義剛度：[0104][0105] 計算風力機塔筒結(jié)構(gòu)一階預應力固有頻率值：[0106][0107] 采用ANSYS軟件建立有限元模型進行風力機塔筒結(jié)構(gòu)一階預應力固有頻率數(shù)值解：

[0108] 表3：解析法與數(shù)值法一階預應力固有頻率對比[0109][0110] 需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和

操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，相同字母符號定義相同。

[0111] 除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具

體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

[0112] 本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

[0113] 以上對本發(fā)明所提供的風機塔筒預應力自振頻率的計算方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于

幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在

不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落

入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。