風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑為64.35m，三片槳葉具有循環(huán)對(duì)稱(chēng)性。鑒于槳葉結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，本文采用剛度等效原則，構(gòu)建了變剛度殼體（SHELL181）葉片模型。機(jī)艙長(zhǎng)9.8m，寬3.22m，高3.01m，質(zhì)量68.5×103kg，將機(jī)艙及其內(nèi)部構(gòu)件視為一個(gè)整體，借助三維梁?jiǎn)卧˙EAM189）來(lái)模擬即可達(dá)到很高的精度。鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔高66.35m，塔底直徑3.9m，塔底厚度0.3m，塔頂直徑2.55m，塔頂厚度0.2m ；混凝土標(biāo)號(hào)C30，彈性模量3×1010Pa，泊松比0.2 ；鋼筋為HRB335，彈性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，可采用復(fù)合殼單元（SHELL181）對(duì)塔筒進(jìn)行有限元建模。復(fù)合殼單元可用來(lái)模擬由多層復(fù)合材料所組成的結(jié)構(gòu)，定義該單元時(shí)需要給出每層材料的屬性和厚度。可將塔筒沿壁厚方向分為5 層，即內(nèi)外混凝土保護(hù)層、內(nèi)外縱向受力鋼筋層和兩層鋼筋之間的混凝土層。混凝土層取實(shí)際厚度，結(jié)構(gòu)中離散的鋼筋則按照面積等效原則彌散成厚度不變的鋼筋層，層與層之間按照實(shí)際結(jié)構(gòu)順序排列（圖1）。在建模過(guò)程中，將塔身分成4 段，每段根據(jù)塔身的實(shí)際配筋情況賦以具有不同厚度的鋼筋層。自下而上四段的縱向鋼筋總配筋量（包括外排縱向鋼筋和內(nèi)排縱向鋼筋）分別為78716mm2、64468mm2、51516mm2 和26788mm2。塔底采用10×10×1.80m3 的圓形鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)，借助混凝土實(shí)體單元Solid65 進(jìn)行模擬。基礎(chǔ)之下土體的泊松比0.3，密度2100kg/m3，剪切模量5.2×108Pa。在建模過(guò)程中，存在著葉片、機(jī)艙、塔筒、基礎(chǔ)四個(gè)基本構(gòu)件，不同構(gòu)件之間的網(wǎng)格密度因?yàn)橥負(fù)湫螤罡鳟惗y以達(dá)到完全一致。因此，不同構(gòu)件之間的連接成為有限元建模的難點(diǎn)。本文采用多點(diǎn)約束單元（MPC184）來(lái)實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件之間的連接，完成了風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)“葉片－機(jī)艙－塔筒－基礎(chǔ)”一體化建模（圖2），有效地解決了構(gòu)件之間的滑移問(wèn)題。根據(jù)效率與精度均衡的原則，鋼筋混凝土風(fēng)力發(fā)電塔劃分了1608 個(gè)單元。

圖1 鋼筋混凝土塔橫截面分層圖

圖2 風(fēng)電機(jī)組一體化有限元模型

　　3 風(fēng)場(chǎng)模擬
　　風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速場(chǎng)可分為兩部分：槳葉風(fēng)速場(chǎng)和塔體風(fēng)速場(chǎng)。事實(shí)上，無(wú)法也無(wú)需對(duì)模型中所有點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)仿真。在本文中，對(duì)風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，所有葉片均等效為3 個(gè)均勻分布的集中質(zhì)點(diǎn)，一共為9 個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)。塔筒（機(jī)艙）離散為非均勻分布的6 個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)，各點(diǎn)的具體位置見(jiàn)圖3。等效集中質(zhì)點(diǎn)為動(dòng)力計(jì)算時(shí)需要輸入風(fēng)速時(shí)程的計(jì)算點(diǎn)，本文主要進(jìn)行這些點(diǎn)上的風(fēng)速時(shí)程模擬。