如中国西北地区的干旱风沙区的风力发电机塔架，暴露在可能影响其长期结构性能的耦合环境作用下。正如 Zhang 等人 [1] 所指出的，含沙运行工况约占年服役时间的十分之一到六分之一；在这些时期，由含沙风事件引起的瞬态冲击载荷叠加在循环风载荷上，增加了结构劣化和疲劳损伤累积的风险。基于这些发现，Wang 等人 [2] 进一步描述了这些地区地表沙漠化、磨蚀颗粒冲击和高频空气动力学载荷的综合作用，指出这种条件可能加速涂层渐进侵蚀和结构性能退化。综上所述，这些因素表明需要对在恶劣风沙环境下运行的风力发电机塔架的应力响应和疲劳损伤演化进行精细化的数值评估。
尽管最近的研究越来越多地关注运行条件下风力发电机的动态响应，但其支撑结构通常仍使用简化集中质量假设来表示。这种简化减少了计算复杂性，但可能无法充分表示交变空气动力载荷、离心刚化效应和转子 - 塔架耦合。为了检查这些局限性，本研究建立了一个纳入离心刚化的精细化整机有限元（FE）模型，并与简化对比模型进行比较。
关于风沙环境的平行研究主要集中在含沙流建模和短期响应预测上。Rao 等人 [3] 基于能量守恒将颗粒 - 结构碰撞建模为弹性冲击。随后，Zhu 和 Cheng [4] 将含沙流视为连续介质，并基于动量守恒估计冲击压力，结论是尽管冲击力很小，但在大接触面积上的压力不可忽视。Lu 等人 [5] 应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法模拟风沙流，而 Zhang 等人 [1] 使用 SAP2000 分析了风和风沙载荷下的输电塔，并强调了在沙漠地区考虑沙粒冲击的必要性。最近，Pu 等人 [6] 总结了沙粒冲击研究中的当前局限性。总体而言，现有研究大多强调短期气动 - 沙耦合分析，而对于多沙地区风力发电机的长期疲劳损伤评估仍处理不足。
许多研究调查了运行条件下风力发电机支撑结构的力学行为。Xi 等人 [7] 使用 OpenFAST [8] 分析了一台 5 MW 风机的风 - 震耦合响应。Chen 等人 [9] 开发了转子 - 塔架系统的控制方程以表征风致振动，而 Ke 等人 [10] 改进了叶片元动量（BEM）理论以模拟随机空气动力学响应，并将结果与集中质量模型进行比较。Li 等人 [11] 将尾流效应修正纳入 BEM 理论以计算旋转风载荷，而 Ma 等人 [12] 提出了一种整机建模方法来分析停机和运行状态下的动态特性。Dai 等人 [13] 进一步实施了 OpenFAST 和 Abaqus 之间的双向耦合策略以研究风 - 震相互作用。
行业标准的气动弹性代码，如 OpenFAST 和 HAWC2 [14]，对于全局载荷工况筛选和气动 - 伺服 - 弹性响应分析非常高效。然而，它们的结构表示通常基于多体动力学和一维梁公式，这主要用于系统级动态模拟。对于涉及局部壳应力梯度、周向应力重分布和薄壁塔架结构中疲劳关键区域的问题，精细化的三维有限元表示可以提供补充信息。在本研究中，采用壳单元有限元离散化来解决难以直接使用线单元模型捕捉的局部应力分布和结构响应特性。最近，Huo 等人 [15] 使用气象数据导出了联合风速 - 风向分布，并证明了风向对疲劳累积的影响，而 Mo 等人 [16] 在 Fe-safe [17] 中进行了全单元疲劳寿命模拟，以检查方向变异性的影响。然而，离心刚化在应力响应调制和疲劳损伤演化中的显式作用在长期风力发电机塔架分析中仍未得到充分解决。
早期的数值研究 [18] 和现场实验 [19,20] 为风力发电机塔架响应分析奠定了重要基础。然而，许多结构分析在表示转子 - 塔架系统时仍采用常刚度假设。这种简化可能会在模态特性、应力传递和疲劳损伤评估中引入偏差，特别是在转子在不同转速下运行时。如果不表示旋转引起的刚度贡献，由此产生的模态和应力响应可能无法完全反映转子运行引起的结构调制。尽管旋转引起的效应的重要性已在数值转子动力学中被认可 [21,22]，但离心刚化尚未被充分纳入精细化的整机有限元模型中，以评估风沙载荷下的局部应力响应和疲劳损伤演化。
因此，本研究采用位于典型风沙地区的 1.5 MW 锥壳风力发电机，开发了一个纳入离心刚化的精细化整机 FE 模型，并与简化集中质量模型进行比较。基于叶片元动量理论、实测风速数据和特征沙尘暴持续时间，模拟了不同运行状态下的结构响应。随后使用 S-N 曲线和 Miner 累积损伤理论评估疲劳损伤演化，以检查离心刚化如何影响应力响应和损伤累积。此外，评估了风沙载荷引起的疲劳损伤增量，以比较含沙风对计算出的疲劳损伤水平的影响。这项工作突出了集中质量简化在表示转子 - 塔架相互作用方面的局限性，并为离心刚化和风沙载荷对风力发电机塔架响应的影响提供了数值见解。
