[摘 要]随着国内风能产业的发展，风电机组的问题逐渐暴露。据统计，从2009到2016年的几年时间中，整机倒塌事故多达几十起，给风机企业带来重大损失。作为最严重的风机事故，风机倒塌应受到特别重视。从整机倒塌的部位看，大多数断裂发生在塔筒段之间连接法兰位置。为了研究法兰连接处承载能力变化规律，本文用有限元建立法兰模型，通过改变相关参数与尺寸，得到法兰的承载变化趋势，为法兰连接设计提供参考。
[关键词]风机塔筒；法兰螺栓；承载能力；变化规律
1 引言
在风机塔筒结构的法兰连接位置，由于结构应力集中、螺栓松弛、法兰连接面不平整等原因，该位置往往成为结构中最薄弱环节，其中螺栓松弛是最常见塔筒破坏诱因。目前塔筒螺栓安装多数使用液压扭矩扳手，由于螺栓与法兰之间摩擦的存在，安装完成后在螺栓中会存在较大的残余扭矩。当风机运行时，由于塔筒弯矩与振动的作用，使螺栓与法兰间摩擦力减小，螺栓中扭矩被释放出来，从而导致预紧力降低。预紧力降低会导致在相同载荷下，螺栓应力幅值迅速增大，疲劳寿命急剧缩减，最终产生螺栓疲劳断裂。如果发生螺栓个别断裂而没有及时发现，则螺栓断裂区域会迅速扩展，使周围螺栓在短时间内大量断裂，进而发生整个风电塔筒的倾覆。本文通过使用有限元计算比较不同参数变化对法兰承载的影响，得出法兰承载变化的一般规律，为法兰设计与施工提供参考。
2 计算模型介绍
本文使用ANSYS对法兰结构进行建模，其中螺栓杆使用BEAM118单元模拟，螺栓头、垫片、筒壁及法兰使用Solid185单元建立。两片法兰之间使用标准接触，法兰之间摩擦系数取0.2。在法兰上下各建立一段塔筒模型，其中上部筒段顶部用于加载，下部筒段底部固定约束。塔筒直径4200mm，筒壁厚度20mm，法兰连接螺栓为112个10.9级M42螺栓，沿周向均匀分布，模型在顶部加载4500kNm，结构有限元模型如图1所示。本文档的研究方法为，分别改变法兰连接的相关参数，计算并汇总观察螺栓的承载变化规律，进而得出法兰连接在工程设计与实际施工中应当注意的点。
图1 法兰计算模型
3 不同参数下法兰螺栓承载变化
3.1 法兰螺栓受力与预紧力关系
在工程实际中，高强螺栓预紧力施加值一般为使螺栓截面产生0.7倍屈服应力的值。10.9级M42的高强螺栓的预紧力标准值为710kN。为模拟法兰螺栓不同松动程度的的承载性能，在模型中螺栓预紧力分别加载710kN、660kN、610kN、560kN，统计对应螺栓应力增量分别如图2所示。由图可见，在相同外载下，随着预紧力的减小，螺栓应力增量逐步增大。在本算例模型中，当预紧力由标准的710kN降低为560kN，螺栓应力增量最大增加125kN，约为标准预紧力下应力增量的1.45倍。依据疲劳累积损伤计算原则，此时螺栓疲劳寿命仅为标准设计值的22.6%，承载能力受到了严重削弱。
图2 不同预紧力下各螺栓应力增量
3.2 法兰螺栓受力与法兰厚度的关系
通过改变法兰板厚度改变螺栓连接长度，可得螺栓应力增量与连接长度之间相对变化规律。本报告模型连接长度在140mm至240mm之间每隔20mm计算一次，在保证预紧力相同，各连接长度下螺栓应力增量分布如图3所示。可见随着连接法兰厚度的增加，螺栓应力增量逐渐减小，但减小量逐渐缩小。
图3 不同法兰厚度下个螺栓应力增量
3.3 局部螺栓断裂对法兰承载的影响
当法兰螺栓产生断裂时，其附近螺栓应力水平会增大。在保持外载、预紧力、法兰厚度不变前提下，通过比较在不同螺栓断裂个数下，断裂区域周围螺栓应力分布，可以确定螺栓断裂对法兰承载的影响。通过分别计算模型无螺栓断裂、断裂1颗、3颗、5颗螺栓的情况，提取螺栓应力增量如图4所示。由图可见，当法兰连接出现螺栓断裂情况时，断裂位置临近的螺栓应力增量迅速增加，可以推测，当法兰螺栓出现断裂情况而未及时采取相应措施时，断裂情况会加速进行，短时间内即可使整个法兰连接彻底失效。
图4 不同螺栓断裂个数下螺栓应力增量分布
4 结论
通过以上计算与比较，可以发现如下几点：
1）预紧力减小会使螺栓承载增加，疲劳寿命严重削弱；
2）增加法兰厚度可以减小螺栓承载；
3）局部螺栓断裂会使断裂附近螺栓承载急剧增加，断裂区域快速扩散。
在实际工程中，通过定期检查保证法兰连接螺栓具有足够的预紧力非常重要，当发现有个别断裂的螺栓时，要及时更换以免断裂扩散引起严重后果。同时，为保证安全同时兼顾经济性，在设计中要注意设置合理的法兰厚度。
