风电塔筒存放托架经济性分析

1. 背景分析

在国际社会能源形势日益严峻，国家大力倡导新能源产业发展的战略方针的大背景之下，风力发电作为最主要的清洁、环保、绿色能源之一，经过数十年发展，陆上风电单机容量由原来的 1MW 发展到现在的 10MW，在技术层面发生了翻天覆地的变化；而对于塔筒生产厂家来说，塔筒直径及塔筒重量急剧增加，原来使用的塔筒存放托架直径偏小，承重不足，需重新制作适合大直径大吨位塔架存放的托架，由此产生的生产成本相应增加，而研究制作新托架的经济性在风电塔筒生产存放过程中有重要的现实意义。

2. 托架制造方案对比

2.1 使用 Q235 进行建模计算

一般情况下，用于生产辅助类型的工装制作选料的原则是尽量以低等级钢材作为原材料进行工装设计，我们首先使用市场上普遍使用的普通碳素钢作为结构原材料进行三维建模，并进行计算。托架承重的计算数据以目前流行的陆上风电 10MW 塔筒为准，选择重量最重的 T1 段为计算依据，某主机厂 T1 段筒体整体重量约为 123t，将其换算成作用到托架表面的力为 602700N ；本文首先以 Q235 为主要原材料进行三维建模计算，经过多次计算可得托架整体钢板厚度达到35mm 时才能达到使用要求，计算结果如下图所示：

图 1 普板 Q235 厚度 25mm 托架计算结果

如图 1 所示，经过三维计算后可得，最大应力集中区域的应力值为121MPa，而所使用的钢材为 Q235，其屈服强度为 235MPa，从而可得，此时结构强度的安全系数为 1.94，在此安全系数下，适当的冲击载荷也可以避免结构变形。

2.2 使用 Q355 进行建模计算

而当我们使用 Q355 材质进行同比例建模，在经过多次建模计算后可得，当板材厚度达到 25mm 时，才能得到与 Q235 同等安全系数的支撑结构，同样采用三维软件进行计算，计算结果如下图所示：

图 2 分段划分图（左）分段合拢图（右）

→屈服力：3.516e+08

如图 2 所示为使用 Q355 材料板厚 25mm 进行三维建模后的受力计算，由图2 可知，最大应力集中区域的应力值为 216MPa，而所使用的钢材为 Q355，其屈服强度为355MPa，从而可得，此时结构强度的安全系数为1.64，在此安全系数下，适当的冲击载荷也可以避免结构变形。满足日常使用要求。

3. 经济性分析

为了保证本研究内容的严谨，以上两种材料的建模结构受力形式完全一致，三维计算过程也完全一致，经过计算可得，获得一个安全系数大于 1.5 的支撑结构所用的材料不同，其板厚也不同，经过计算可得，按照图片所示的结构建模时，Q235 材质所用钢材总重量为 899.8kg，Q355 材质所用钢材总重量为 642.7kg，而根据目前两类钢材的市场价格，Q355 的价格为 4500 元 /t，而Q235 的价格为 4050 元 /t，经过计算可得，在结构相似的情况下，使用 Q235制作托架时每个成本约 3645 元，而是用 Q355 制作托架时每个成本约 2894 元，经过分析可得，使用单价更高的 Q355 材质制作风电塔筒存放托架时，具备更好的经济性。

参考文献

[1] 刘汉权 . 孔繁翀 . 三维建模及其应用 . 科技信息 ， 2024 第 10 期

[2] 陈祝年. 焊接工程师手册. 北京：机械工业出版社2002 年

[3] 马国清 . 李万志 . 于琪 . SolidWorks 基础应用教程 . 机械工业出版社