0 引言
1 组合塔架参数
Fig. 1 Diagram of hybrid tower图1 组合塔架示意图 |
Table 1 Design parameters of hybrid tower表1 组合塔架设计参数 |
塔段 | 高度 / m | 底部外径 / mm | 顶部外径 / mm | 底部厚度 / mm | 顶部厚度 / mm |
---|---|---|---|---|---|
IV段 | 26.88 | 4 450 | 3 280 | 24 | 28 |
III段 | 27.28 | 4 900 | 4 450 | 32 | 24 |
II段 | 28.64 | 5 100 | 4 900 | 42 | 32 |
I段 | 55.00 | 7 800 | 5 100 | 330 | 315 |
Table 2 Material parameters of hybrid tower表2 组合塔架材料参数 |
材料 | 弹性模量 / GPa | 泊松比 | 密度 / (kg/m3) |
---|---|---|---|
混凝土 | 36 | 0.2 | 2 500 |
钢筒、连接段 | 200 | 0.3 | 7 850 |
钢绞线 | 195 | 0.3 | 7 850 |
2 组合塔架优化模型
2.1 设计变量
Table 3 Value scope of the design variables表3 设计变量取值范围 |
取值范围 | d1 / m | d2 / m | d3 / m | h / m | t1 / mm | t2 / mm | t3 / mm | t4 / mm | t5 / mm | t6 / mm |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
下限 | 6 | 3 | 2 | 50 | 260 | 260 | 30 | 10 | 40 | 120 |
上限 | 9 | 6 | 4 | 120 | 380 | 380 | 60 | 30 | 80 | 170 |
2.2 约束条件
2.3 目标函数
2.4 优化模型
3 结构有限元分析
3.1 有限元模型
Fig. 2 Mesh of hybrid tower图2 组合塔架整体网格 |
Table 4 Load on top of tower under different conditions表4 不同工况下的塔顶荷载 |
工况 | ${{F}_{x}}$/ kN | ${{F}_{y}}$/ kN | ${{F}_{z}}$/ kN | ${{M}_{x}}$/ (kN∙m) | ${{M}_{y}}$/ (kN∙m) | ${{M}_{z}}$/ (kN∙m) |
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额定风速 | 534.7 | -410.3 | -2 246 | 1 463.4 | -1 090.7 | 1 538.2 |
极限风速 | 1 158.7 | -348.2 | -2 490 | 3 458.6 | -2 551.3 | 1 847.1 |
3.2 初始方案的评估
Fig. 3 (a) First order natural frequency; (b) horizontal displacement of the tower under rated working conditions; (c) horizontal displacement of the tower under extreme working conditions图3 (a)一阶固有频率;(b)额定工况下塔架水平位移;(c)极限工况下塔架水平位移 |
Fig. 4 Equivalent stress of steel tower under two working conditions图4 两种工况下钢塔等效应力 |
Fig. 5 Vertical normal stress of concrete under two working conditions图5 两种工况下混凝土竖向正应力 |
Fig. 6 Equivalent stress of flange plate under two working conditions图6 两种工况下法兰盘等效应力 |
Fig. 7 Equivalent stress of steel plate under two working conditions图7 两种工况下钢垫板等效应力 |
4 优化设计及结果分析
Table 5 Design variables before and after optimization表5 优化前后的设计变量 |
参数 | d1 / m | d2 / m | d3 / m | t1 / mm | t2 / mm | t3 / mm | t4 / mm | t5 / mm | t6 / mm | h / m |
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初始值 | 7.80 | 5.10 | 3.28 | 330 | 315 | 50 | 140 | 42 | 28 | 55.0 |
优化值 | 7.67 | 4.63 | 3.15 | 322 | 303 | 43 | 138 | 45 | 26 | 85.3 |
Table 6 Key performance indicators before and after optimization表6 优化前后关键性能指标 |
参数 | 一阶固有 频率 / Hz | 塔顶位移 / mm | 钢塔等效应力 最大值 / MPa | 法兰盘等效应力 最大值 / MPa | 钢垫板等效应力 最大值 / MPa | 混凝土段最大 拉应力 / MPa | 混凝土段最大 压应力 / MPa | 屈曲 因子 |
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初始值 | 0.321 | 853.68 | 213.77 | 265.23 | 111.99 | 1.72 | 26.45 | 1.85 |
优化值 | 0.308 | 898.59 | 273.73 | 266.91 | 159.75 | 0 | 23.93 | 1.38 |
5 优化方案疲劳校核
Fig. 7 Fatigue cumulative damage diagram of steel components图7 钢制部件疲劳累积损伤图 |