風(fēng)電機組風(fēng)輪直徑為64.35m，三片槳葉具有循環(huán)對稱性。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。機艙長9.8m，寬3.22m，高3.01m，質(zhì)量68.5×103kg，將機艙及其內(nèi)部構(gòu)件視為一個整體，借助三維梁單元（BEAM189）來模擬即可達(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）對塔筒進(jìn)行有限元建模。復(fù)合殼單元可用來模擬由多層復(fù)合材料所組成的結(jié)構(gòu)，定義該單元時需要給出每層材料的屬性和厚度?？蓪⑺惭乇诤穹较蚍譃? 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?；炷翆尤嶋H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，層與層之間按照實際結(jié)構(gòu)順序排列（圖1）。在建模過程中，將塔身分成4 段，每段根據(jù)塔身的實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。在建模過程中，存在著葉片、機艙、塔筒、基礎(chǔ)四個基本構(gòu)件，不同構(gòu)件之間的網(wǎng)格密度因為拓?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。本文采用多點約束單元（MPC184）來實現(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 個單元。

圖1 鋼筋混凝土塔橫截面分層圖

圖2 風(fēng)電機組一體化有限元模型

　　3 風(fēng)場模擬
　　風(fēng)電機組風(fēng)速場可分為兩部分：槳葉風(fēng)速場和塔體風(fēng)速場。事實上，無法也無需對模型中所有點進(jìn)行風(fēng)場仿真。在本文中，對風(fēng)電機組整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，所有葉片均等效為3 個均勻分布的集中質(zhì)點，一共為9 個集中質(zhì)點。塔筒（機艙）離散為非均勻分布的6 個集中質(zhì)點，各點的具體位置見圖3。等效集中質(zhì)點為動力計算時需要輸入風(fēng)速時程的計算點，本文主要進(jìn)行這些點上的風(fēng)速時程模擬。