vestnikcstroyВестник НИЦ «Строительство»Bulletin of Science and Research Center of Construction2224-94942782-3938АО «НИЦ «Строительство»10.37538/2224-9494-2023-4(39)-7-27HFKNZGvestnikcstroy-343Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯBUILDING CONSTRUCTIONS, BUILDINGS AND STRUCTURESОсобенности построения конечно-элементной расчетной модели трубчатой башни ветроагрегатаFeatures of a finite-element modeling of a tubular tower for a wind-power unitГаранжаИ. М.GaranzhaI. M.

Игорь Михайлович Гаранжа, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры металлических и деревянных конструкций

тел.: +7 (926) 284-55-17

Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337, Российская Федерация

Igor M. Garanzha, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Department of Metal and Timber Structures

tel: +7 (926) 284-55-17

Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation

garigo@mail.ruТанасоглоА. В.TanasogloA. V.

Антон Владимирович Танасогло, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры металлических и деревянных конструкций

тел.: +7 (915) 544-36-23

Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337, Российская Федерация

Anton V. Tanasoglo, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Department of Metal and Timber Structures

tel.: +7 (915) 544-36-23

Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation

a.v.tan@mail.ruПисареваМ. М.PisarevaM. M.

Милена Михайловна Писарева, студент кафедры металлических и деревянных конструкций

тел.: +7 (985) 906-51-93

Ярославское шоссе, д. 26, г. Москва, 129337, Российская Федерация

Milena M. Pisareva, Student, Department of Metal and Timber Structures

tel.: +7 (985) 906-51-93

Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation

milena.pisareva.02@bk.ruФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University)Russian Federation202317122023394727Copyright © Гаранжа И.М., Танасогло А.В., Писарева М.М., 20232023Гаранжа И.М., Танасогло А.В., Писарева М.М.Garanzha I.M., Tanasoglo A.V., Pisareva M.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.cstroy.ru/jour/article/view/343Введение

Введение. Не вызывает сомнений актуальность проблемы выявления особенностей моделирования сооружений башенного типа, что позволит упростить работу инженера и в то же время выйти на качественно новый уровень в принятии проектных решений.

Целью данной работы является комплексная оценка влияния особенностей создания расчетной схемы на результирующий параметр – частотное поведение трубчатой башни под ветроэнергетические установки

Материалы и методы

Материалы и методы. Численные исследования проведены в отечественном ПВК SCAD Office. При создании расчетных моделей использованы типы КЭ 41, 42, 44 и 50. При определении оценки влияния типа конечного элемента были произведены расчеты цилиндрической башни с фиксированными параметрами с учетом изменений типа и размера КЭ. При расчетах оценивающими факторами являлись: изменение напряжений, а также изменение частоты первой формы собственных колебаний. При сравнении значений напряжений в качестве расчетной принималась пластина третьего ряда от закрепленного основания. В качестве ветроагрегатов рассмотрены установки Turbowind T600–48 и Eviag EV 100.

Результаты

Результаты. Достаточную величину дискретизации расчетной схемы для определения частоты собственных колебаний следует принимать nR = 12, т. к. дальнейшее увеличение значения nR приведет к изменению частоты собственных колебаний менее чем на 1 %. Определены фиксированные частоты для ветроагрегата Eviag EV 100, равные 0,275 и 0,825 Гц. Для Turbowind T600–48 определен диапазон резонансных частот по причине наличия переменной частоты вращения ротора: диапазон стартовых частот – от 0,255 до 0,765 Гц, а диапазон максимальных частот – от 0,383 до 1,149 Гц.

Выводы

Выводы. При формировании расчетной схемы башни в ПВК SCAD рационально использовать 44-й тип конечного элемента с учетом полученной достаточной величины дискретизации. Полученный спектр собственных и резонансных частот позволяет при принятии проектных решений избежать появления резонансного эффекта.

Introduction

Introduction. Being indisputably relevant, an identification of the features of modeling tower structures can simplify the work of engineers and simultaneously move the design decision-making to a qualitatively new level.

Aim

Aim. To assess the effect, caused by some particular features of a computational modelling, on the resulting parameter, representing the frequency behavior of a tubular tower for wind-power units.

Materials and Methods

Materials and Methods. Numerical studies were conducted using a domestic SCAD Office programming and computing suite. In computational modeling, 41st, 42nd, 44th and 50th FE types were used. During the assessment of effects, caused by the finite element type, calculations of a cylindrical tower with fixed parameters were performed, taking into account variations in the type and size of the FE. Estimating factors in calculations included: variations in stresses, as well as in the frequency of first-mode natural oscillations. During the comparison of stress values, the plate of the third from the fixed base row was taken as the design one. Turbowind T600-48 and Eviag EV 100 were considered as wind turbines.

Results

Results. A sufficient discretization value of the computational model for determining the frequency of natural oscillations equals to nR = 12, since a further increase in the value of nR will lead to variations in the frequency of natural oscillations by less than 1%. The individual frequencies of 0.275 and 0.825 Hz were determined for an Eviag EV 100 wind turbine. For a Turbowind T600-48, the range of resonant frequencies is determined due to the presence of a variable rotor speed: starting and maximum frequency ranges of 0.255–0.765 and 0.383–1.149 Hz, respectively.

Conclusions

Conclusions. During the modeling of a tower in the SCAD Office PCS, it is feasible to use the 44th type of finite elements, taking into account the obtained sufficient discretization value. The obtained spectrum of natural and resonant frequencies allows avoiding the appearance of a resonant effect when making design decisions.

трубчатая башня ветроагрегататип конечного элементачастота собственных колебанийформа собственных колебанийчастота вращений ветротурбиныдискретизация расчетной моделиwind turbine tubular towerfinite element typenatural oscillation frequencynatural oscillation modewind turbine rotation frequencycomputational model discretizationReferencesБасов К.А. ANSYS для конструкторов. Москва: ДМК Пресс; 2019.Basov K.A. ANSYS for designers. Moscow: DMK Press Publ.; 2019. (In Russian).Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap NX Nastarn. Москва: ДМК Пресс; 2013.Rychkov S.P. Structural modeling in Femap NX Nastarn. Moscow: DMK Press Publ.; 2013. (In Russian).Теличко В.Г., Злобин С.Ф., Теличко Г.Н. Параметрическое моделирование расчётных схем в среде РПК SAP2000. Тула: Наука; 2017.Telichko V.G., Zlobin S.F., Telichko G.N. Parametric modeling of design schemes in SAP2000. Tula: Nauka Publ.; 2017. (In Russian).Zolochevskiy A.A., Becker A.A. Introduction to ABAQUS. Bristol: Business Investor Group; 2018.Zolochevskiy A.A., Becker A.A. Introduction to ABAQUS. Bristol: Business Investor Group; 2018.Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. Киев: Сталь; 2002.Perel’muter A.V., Slivker V.I. Design models of structures and the possibility of their analysis. Kyiv: Stal’ Publ.; 2002. (In Russian).Маковкин Г.А., Лихачева С.Ю. Применение МКЭ к решению задач механики деформируемого твердого тела. Н. Новгород: ННГАСУ; 2016.Makovkin G.A., Lihacheva S.Yu. Using FEM to solution of mechanics problems of a deformable solid body. N. Novgorod: Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU); 2016. (In Russian).Ermakova A.V. Additional Finite Element Method for Analysis of Reinforced Concrete Structures at Limit States. Moscow: ASV; 2012.Ermakova A.V. Additional Finite Element Method for Analysis of Reinforced Concrete Structures at Limit States. Moscow: ASV; 2012.Барабаш М.С. Компьютерное моделирование процессов жизненного цикла объектов строительства. К.: Сталь; 2014.Barabash M.S. Computer modeling of the life cycle processes of construction objects. Kyiv: Stal’ Publ.; 2014. (In Russian).Godat A., Legeron F., Bazonga D. Stability investigation of local buckling behavior of tubular polygon columns under concentric compression. Thin-Walled Structures. 2012;53:31–140. h ttps://doi.org/10.1016/j.tws.2011.12.013Godat A., Legeron F., Bazonga D. Stability investigation of local buckling behavior of tubular polygon columns under concentric compression. Thin-Walled Structures. 2012;53:31–140. https://doi.org/10.1016/j.tws.2011.12.013Trahair N.S. Flexural-torsional buckling of structures. London: E & FNSpon; 2003.Trahair N.S. Flexural-torsional buckling of structures. London: E & FNSpon; 2003.Garifullin M., Trubina D., Vatin N. Local Buckling of Cold-Formed Steel Members with Edge Stiffened Holes. Applied Mechanics and Materials. 2014;725-726:697–702. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.725-726.697Garifullin M., Trubina D., Vatin N. Local Buckling of Cold-Formed Steel Members with Edge Stiffened Holes. Applied Mechanics and Materials. 2014;725-726:697–702. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.725-726.697Gonçalves R. Camotim D. Elastic buckling of uniformly compressed thin-walled regular polygonal tubes. Thin-Walled Structures. 2013;71:35–45. https://doi.org/10.1016/j.tws.2013.04.016Gonçalves R. Camotim D. Elastic buckling of uniformly compressed thin-walled regular polygonal tubes. Thin-Walled Structures. 2013;71:35–45. https://doi.org/10.1016/j.tws.2013.04.016Godat A., Legeron F., Bazonga D. Stability investigation of local buckling behavior of tubular polygon columns under concentric compression. Thin-Walled Structures. 2012;53:131–140. https://doi.org/10.1016/j.tws.2011.12.013Godat A., Legeron F., Bazonga D. Stability investigation of local buckling behavior of tubular polygon columns under concentric compression. Thin-Walled Structures. 2012;53:131–140. https://doi.org/10.1016/j.tws.2011.12.013Васылев В.Н., Гаранжа И.М. Особенности построения расчетной конечно-элементной модели многогранных гнутых стоек в программно-вычислительном комплексе SCAD Office. Металлические конструкции. 2009;15(2):133–140.Vasylev V.N., Garanzha I.M. Features of construction of a design finite element model of multifaceted bent poles in SCAD Office software package. Metallicheskie konstruktsii = Metal Constructions. 2009;15(2):133–140. (In Russian).Гордиевский Е.М., Мирошниченко А.А., Кулганатов А.З., Соломин Е.В., Станчаускас В.И. Имитационное моделирование ветроэнергетической установки в программе Matlab/Simulink. Известия ВУЗОВ. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2020;(1):25–32. https://doi.org/10.17213/1560-3644-2020-1-25-32Gordievskii E.M., Miroshnichenko A.A., Kulganatov A.Z., Solomin E.V., Stanchauskas V.I. Simulation modeling of a wind power plant in Matlab/Simulink program. Izvestiya VUZOV. Severo-Kavkazskii region = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus region. Technical Sciences. 2020;(1):25–32. (In Russian). https://doi.org/10.17213/1560-3644-2020-1-25-32Alvare z-Anton L., Koob M., Diaz J., Minnert J. Optimization of a hybrid tower for onshore wind turbines by Building Information Modeling and prefabrication techniques. Vizualization in Engineering. 2016;4:3. https://doi.org/10.1186/s40327-015-0032-4Alvarez-Anton L., Koob M., Diaz J., Minnert J. Optimization of a hybrid tower for onshore wind turbines by Building Information Modeling and prefabrication techniques. Vizualization in Engineering. 2016;4:3. https://doi.org/10.1186/s40327-015-0032-4Горохов Е.В., Васылев В.Н., Кузнецов С.Г., Гаранжа И.М., Лозинский Э.А., Щербонос А.Г., Павловский Р.Н. Методика определения геометрических параметров конструкций свободностоящих многогранных стоек с учетом регулирования собственных и вынужденных колебаний. Металлические конструкции. 2012;18(2):85–96.Gorohov E.V., Vasylev V.N., Kuznecov S.G., Garanzha I.M., Lozinskii E.A., Shcherbonos A.G., Pavlovskii R.N. Method for determining the geometric parameters of structures of free-standing multifaceted racks, taking into account the regulation of natural and forced vibrations. Metallicheskie ko nstruktsii = Metal Constructions. 2012;18(2):85–96. (In Russian).Перельмутер А.В., Микитаренко М.А. Башни для ветроэнергетических установок: тенденции развития. Вестник ДонНАСА. 2014;(5):8–13.Perel’muter A.V., Mikitarenko M.A. Towers for wind turbines: development trends. Vestnik DonNASA = Proceeding of the Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. 2014;(5):8–13. (In Russian).Wang L., Kolios A.J., Luengo M.M., Liu X. Structural optimization of wind turbine towers based on finite element analysis and genetic algorithm. Wind Energy Science. 2016;41. https://doi.org/10.5194/wes-2016-41Wang L., Kolios A.J., Luengo M.M., Liu X. Structural optimization of wind turbine towers based on finite element analysis and genetic algorithm. Wind Energy Science. 2016;41. https://doi.org/10.5194/wes-2016-41Kudelin A., Kucherov V. Wind ENERGY in Russia: The current state and development trends. Energy Strategy Reviews. 2021;34:100627. https://doi.org/10.1016/j.esr.2021.100627Kudelin A., Kucherov V. Wind ENERGY in Russia: The current state and development trends. Energy Strategy Reviews. 2021;34:100627. https://doi.org/10.1016/j.esr.2021.100627Lu X., McElroy M.B. Global potential for wind-generated electricity. Wind Energy Onshore Offshore Wind Turbines. 2017;(11):51–73. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809451-8.00004-7Lu X., McElroy M.B. Global potential for wind-generated electricity. Wind Energy Onshore Offshore Wind Turbines. 2017;(11):51–73. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809451-8.00004-7Жаворонок А.В., Харченко У.А. Проблемы развития ветроэнергетической отрасли на примере России и стран Европы. Современные научные исследования и инновации. 2015;(7):106–110.Zhavoronok A.V., Harchenko U.A. Problems of development of the wind energy industry on the example of Russia and European countries. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovacii = Modern scientific researches and innovations. 2015;(7):106–110. (In Russian).Афанасьев А.А., Баранов Н.Н. Мировая энергетика: глобальные проблемы и перспективы развития. Энергия: экономика, техника, экология. 2021;(4):34–48. https://doi.org/10.7868/S0233361921040054Afanas’ev A.A., Baranov N.N. World energy: global problems and development prospects. Energiia: ekonomika, tekhnika, ekologiia. 2021;(4):34–48. (In Russian). https://doi.org/10.7868/S0233361921040054Фоменко Н.Е., Удовиков А.К., Манаенко И.Н., Фоменко Л.Н. Опыт применения электроразведочных методов для оценки экологической безопасности строительства ветроэнергетических установок в Восточном Донбассе. Инженерный вестник Дона. 2020;(1). Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/N1y2020/6270Fomenko N.E., Udovikov A.K., Manaenko I.N., Fomenko L.N. Experience in the application of electrical exploration methods to assess the environmental safety of the construction of wind turbines in the Eastern Donbass. Inzhenernyi vestnik Dona = Engineering journal of Don. 2020;(1). (In Russian). Available at: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/N1y2020/6270Некрасов Ю.П. Динамические воздействия ветра на металлические решетчатые башни ветроэнергетических установок [диссертация]. Макеевка: ДонГАСА; 2002.Nekrasov Yu.P. Dynamic effects of wind on metal lattice towers of wind turbines [dissertation]. Makeevka: DonGASA; 2002. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.