金蕾
清华四川能源互联网研究院四川成都610213
摘要：本文将主要探讨力学在实际能源装备和工程建设中的应用，以风电行业为主要背景，分析和讨论工程力学在风能行业中关键和决定性作用，包括从风场选址、风机设计、部件检测、生产和后期维护服务等方面，针对工程力学各维度和细分领域的特点，结合风力发电机组的常见事故和维护问题，综合讨论力学理论结合实际工程在装备制造业的分析方法和多学科交互应用。
关键词：力学；风力发电；断裂；失效
引言
我国作为能源消费大国，能源相关装备生产还处在传统制造业向智能（高端）制造业长期过渡阶段，很长时间依然面临工业基础薄弱、关键核心技术受制于人、产业布局不平衡不充分等不容忽视的短板，诸如关键材料和核心部件仍大批量依赖国外进口产品，仪器精密度和工艺流程化也存在差距。在能源装备行业工程建设中，力学作为基础学科研究和应用的核心理论，在行业理论分析和深入拓展研究中扮演了不可缺少的重要角色。本文将结合风能行业具体应用实况，探讨力学基础知识在风场选址、部件开发设计和改进中与其他学科的交互应用和实践分析。
1.力学理论体系在能源装备行业的应用探析
我国2016年通过了《中国制造2025》，作为我国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。要求尽快突破重大技术装备关键技术和核心技术，并提升产品质量和可靠性，增强行业整体竞争优势；破解制造业发展瓶颈和强化薄弱环节，系统解决设计、材料、工艺、检测与应用标准的衔接问题[1]。“能源互联网+智能制造”在新能源及可再生能源发电设备方面，对符合我国国情和实际地理环境条件的大规模并网和分布式发电机组提出了更高质量和标准的品质要求，对研发标准体系和规范化成本运作提出了新挑战和机遇。
在能源行业中，应用范围最广且最基础的理论知识就是工程力学。其从理论力学、材料力学、结构力学等方面入手，结合基本工程案例特征，在实际应用中对力学特征模拟化、数字化、理论化，对相关指标和边界条件进行简化定义，采用现代力学方法和数字计算工具，对材料分析、加工制造、工艺流程等给出了参考和指导，在工程质量与安全方面的作用是不可忽略。其中，断裂力学、动力学、流体力学等在复杂环境和特殊工况下的工程实际应用尤为重要，较多情况结合微观形貌和宏观形变的综合分析，来判断和评估设备和环境安全性、可靠性，这对力学基础理论在行业实际应用分析能力提出更高要求。
2.力学理论在风力发电装备行业的交互应用
2.1风场选址优化
风电场微观选址即准确地选择风电机组的安装位置。通过对若干方案的技术经济比较，确定风电场风电机组的布置方案，使风机在寿命期年安全、可靠、高效地运行使风资源得到合理充分的利用并获得较好的发电量。尽量集中布置，可以减少风电场的占地面积，充分利用土地，在同样面积的土地上安装更多的机组；其次，集中布置还能减少电缆和场内道路长度，降低工程造价，降低场内线损。尽量减小风电机组之间尾流影响。多行多列布置的能量损失，又和地形、地面粗糙度也有关系。要减小尾流影响，就要增加风电机组之间的距离。这和集中布置的原则是矛盾的。方案比较就要在矛盾中寻求最优。在风电场中有时会碰到障碍物。障碍物的尾流的大小和强弱与其大小和体型有关。风场微观选址和机型布局是典型的需要利用流体力学、动力学、分析力学等知识，结合其他多元化学科（如材料、机型、热能等），对实际工程应用进行简化分析和模拟的案例，目前已经开发出Windfarmer和WASP专用软件用于辅助风场布点和机组选型。
2.2结构分析与设计优化
20世纪90年代以后,经过多年的实践研究,设计人员对风力机组的空气动力学特性和各种运行工况已有了深刻的了解,变桨距机构及其控制系统的可靠性得到提高,变浆距风力机重新受到重视,并得到广泛应用。风力发电机组在最初设计开发中，需要机械和结构专业设计人员对各部件进行建模和需求分析，其中机械结构主要考虑为承重部件，包括叶片、转子、塔筒、基础、法兰以及各结构件之接的连接螺栓。其中弹塑性力学和动力学在叶片设计和各种载荷工况计算中较为常见，采用动态和气动弹性方式在适用性的极限状态之内进行变形分析，计算叶片和机组的其他零件之间保持的最小间隙。
采用静态和动力学方法对变桨齿轮箱的输出轴和连接元件进行疲劳强度和静态强度分析。塔筒和叶片也经常用到振动力学来计算其多阶频率。在传动链的动力特性分析中，动力分析各部件的质量、惯性和刚度性质，综合研究从转子到发电机所有力矩传输的情况。实际设计中经常采用联合分析的方法，利用相关专业软件，如BLADE风机分析软件和ANSYS有限元分析软件对风机部件（如轮毂、塔筒）进行了强度计算，使得结构更优化、布局更合理、减轻重量，控制成本等。
2.3安全评估和失效分析
2013年到2015年，风电市场上开始经历重产、调整、重构、再建设的关键节点，全国风机整机厂家从雨后春笋层出不群到大浪淘沙阶段，陆续进入变革期，前期大批量量产的机组也陆续出现一些安全问题。常见风力发电机组的寿命一般在20年，保修期2年，随着机组运行时间的增加，会陆续出现一些故障，定期维护和安全评估对机组正常运转和可靠运行显得尤为重要。
风电机组失效常见故障多为连接方式，主要需要考虑的是螺栓紧固和定期检查等细节。相关专业规范中都对螺栓连接有进一步要求。GL风力发电机组认证指南中提出，动态载荷螺栓连接必须进行充分的预载荷。需要考虑到装载偏心，连接处可能存在间隙和缺陷造成的影响。所有原本使用扭矩控制或拉伸力控制方式拧紧的螺栓连接都应在调试结束后再次进行拧紧。需应用作用在螺栓上原先的拧紧扭矩或拉伸力，需要明确再拧紧的操作时间[2]。
基于振动力学、材料力学、弹塑性力学等角度，结合风机运行工频与变频的不同、螺栓材质、力学特性和强度性能等方面对联轴器螺栓失效原因做了全面分析，得出了螺栓断裂失效的原因除了本身材质及热处理工艺等原因外，还与风机变频工况下的复杂受力情况有一定的关系[3]。在保证螺栓正常使用的情况下，通过提高螺栓预紧力，适当降低螺栓材料强度、硬度，提高材料塑性、韧性，以减少螺栓脆性断裂失效的几率[4]。
2.4运维与检测
除了在风机设计、强度校核、制造和生产阶段注意力学强度和疲劳分析之外，机组在风场安装试运行后，日常的定期监控和检测也必不可少。目前，风机厂家也逐渐打破了重设计轻运维的保守思路，开始提升运维服务队伍的基础硬件设备和检测能力。除了要求运维人员必须具备一定的技术设计知识，还要定期参加专业技术和服务培训，对日常监测报告和故障诊断进行技术交流和经验分享。一线服务人员的日常报告和诊断经验对设计人员在机组部件再优化和组装人员装配工序细节服务都起到积极的闭环反馈作用。监控和检测范围中涉及到安全相关的项目一般都与力学理论中疲劳、断裂、振动、弹塑性形变等紧密相关，包括叶片裂纹检查、螺栓紧固检查、轴承和驱动链的转动和振动等。
结论
力学作为基础学科，贯穿了从风场选址、机组选型、结构设计与优化、安全评估与保障、后期维护与检测等整个过程，在能源装备特别是风力发电机组的设计制造和安全评估中起到了至关重要的作用，在保障设备安全运行过程中，也拓展了基础学科在实际工程中的广泛应用，结合最新计算机数字化的发展，各种现代力学方法将更为智能和先进。
参考文献：
[1]能源互联网研究课题组.能源互联网发展研究’北京：清华大学出版社，2017.
[2]GL2010风力发电机组认证指南.
[3]郭亚斌，刘海龙，贾凯杰.大型离心风机联轴器螺栓断裂失效分析.华北电力技术，2011（11）：37-39.
[4]董红年，王英华，王文欣，李思萌.K62N68A高强度螺栓失效机理分析.华北电力技术，2012（2）：52-26.