风电塔筒是风力发电机组下方起支撑作用的筒体部分,它具有一定高度,使得风力发电机在合适的高度上运转,同时具有足够的强度和刚度,防止风力发电机组在各种恶劣工况下发生倾倒。风电塔筒具有结构性能优越,安全性高,外形美观的特点,制造成形工艺为采用卷板机将钢板冷卷制而成。本课题的研究内容是对某2MW级风电塔筒的制造成形工艺进行有限元模拟,分析塔筒卷制成形的成形特征和影响成形效果的关键因素,并且根据研究结果,对塔筒卷制成形工艺进行优化。卷制成形是一种传统的板材弯曲成形工艺,它的显著特点是成形效率高,常常用来将等厚板滚弯成形为等曲率或者变曲率的工件。风电塔筒包含直筒部分和锥筒部分,其卷制成形过程是一个复杂的材料加工过程,涉及多种非线性问题,如几何非线性和接触非线性等,且卸载后会产生一定的回弹,回弹量的计算是成形效果的关键。目前应用较广泛的理论有按纯塑性弯曲理论推导的回弹理论和考虑板材发生二次回弹的变形理论,但仍欠缺能普遍适用的可准确描述钢板塑性变形特征的计算理论。生产方面,通常为采用理论公式计算和多次试卷结合来确定塔筒卷制的加工工艺。本文详细介绍了风电塔筒卷制成形有限元研究的内容和方法,首先以塔筒卷制工艺为研究对象,采用大型非线性有限元软件MSC.MARC对现有的加工工艺进行模拟,根据设备(对称式三辊卷板机,型号:11S-150/220×4000mm)的几何参数和工艺参数建模,研究探讨影响筒体卷制成形的关键因素。重点研究了塔筒卷制成形过程中的板材的应力应变分布情况,宽度方向、长度方向和厚度方向的变形特征,中性层偏移情况,等效塑性变形情况,回弹变化规律及回弹计算方法等内容。研究结果表明,在材料确定的情况下,板材回弹后的弯曲半径主要由上辊的下压量和下辊的中心距决定,板材的厚度和弯曲半径比对回弹有一定影响,下压次数的增加有利于降低残余应力增长速度和残余应力大小,但首次下压量应不小于10mm,卷制速度对残余应力和残余应变的影响不大。随后在研究了塔筒成形的变形特征的基础上,对塔筒卷制工艺进行了优化研究,研究了采用更少的卷制次数时板材的应力应变和回弹情况,通过将有限元法计算的回弹结果与经验公式、纯塑性理论的推导公式以及考虑二次回弹的变形理论的计算结果进行对比验证,结果表明,有限元法的分析结果和经验公式的计算结果吻合情况较好,且都位于纯塑性回弹理论的计算结果和考虑二次回弹变形理论的计算结果之间,说明有限元法的计算结果是有效的。本课题对风电塔筒卷制成形工艺的进行了研究和优化,并且对有限元法的计算结果进行了验证,具有一定的工程意义,有利于风电塔筒卷制成形工艺的研发和创新。