风能是一种可再生清洁能源,以其独特的优势最先得到欧美国家的重视和发展,风电开发技术日趋成熟。我国作为能源消耗大国,虽然在风电领域起步较晚,但近些年来发展迅速,装机容量已位居世界第一。目前在运行中的风电塔(风力发电塔)出现了多起事故,造成了重大经济损失,结构失效是导致风电塔倒塌的重要因素。由于风电塔处于振动环境中,法兰紧固螺栓容易出现松动,导致其疲劳寿命降低,甚至发生断裂,因此正常工作中的风电塔出现了倒塌事故。国内外学者对风电塔进行建模分析时,常常忽略连接各节塔筒的法兰,因此无法考虑法兰螺栓松动的问题。本文以位于甘肃某地风电场的2MW风电塔为研究对象,结合环境脉动测试数据,以数值分析的方式对法兰螺栓松动问题进行研究,建立考虑法兰螺栓的风电塔整体模型,分析螺栓松动对结构静力和动力响应的影响,为评估风电塔法兰螺栓松动提供参考。论文主要研究内容和成果如下:(1)根据已有的现场三座风电塔环境脉动测试数据,经过谱分析得到了风电塔的前2阶固有频率和阻尼比,比较风电塔维修前后的固有频率和阻尼。结果显示,1阶固有频率和阻尼比对法兰螺栓松动不敏感。(2)建立了法兰局部构件的三维体单元模型,分析了不同螺栓预紧力作用下,法兰局部构件轴向荷载与位移的关系和法兰螺栓等效应力与轴向荷载的关系。结果显示,预紧力可以减小法兰间隙宽度,增强法兰抗拉刚度。预紧力损失后,螺栓的疲劳寿命急剧减小,没有预紧力的法兰局部构件表现出拉压双线性。(3)在法兰局部构件的力学本构关系基础上,采用非线性弹簧模拟法兰局部构件,基于纤维模型的思想,建立了法兰整体模型,并和塔筒组成风电塔整体的弹簧-梁模型。讨论了风荷载的计算方法,基于叶素动量理论计算风轮轴向推力,采用通用风压公式计算塔筒上的风荷载。结合现场法兰螺栓松动调查情况,采用松动比例η和螺母转角θ分别量化螺栓的松动数量和松紧程度。应用风电塔整体模型,分析了法兰螺栓松动对塔顶位移和法兰间隙宽度的影响。当螺母转角θ>-60o,松动比例η>10%时,塔顶位移和法兰间隙宽度对螺栓松动比较敏感。(4)应用风电塔整体模型和无法兰整体模型分别进行模态分析,得到前6阶振型和固有频率。分析了法兰螺栓松动对风电塔固有频率的影响,根据环境脉动测试数据分析结果得到瑞利阻尼参数,对风电塔遭受短时阵风作用进行了瞬时动力分析,研究了螺栓松动对风电塔结构动力响应特性的影响,分析了结构阻尼对其动力特性的影响。结果显示,当螺母转角θ>0o时,风电塔固有频率变化显著;法兰螺栓松动导致塔顶位移幅值增大,现场测试的风电塔的结构阻尼改变对其动力特性影响较小。