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风力发电机组的轮毂强度与疲劳寿命分析张晓琳,刘衍选,栗荫帅,胡明清(大唐集团青岛华创风能有限公司,山东青岛266109)摘要:轮毂作为风力发电机组重要的传力部件,其质量好坏直接影响着整个机组的正常运行情况和使用寿命。根据风力发电机组规范,应用ANSYS有限元分析软件,对3.0MW级风力发电机组轮毂的极限强度和疲劳寿命进行了分析,得到了轮毂极限载荷下的VonMises应力云图和疲劳寿命云图,验证了该轮毂满足强度和疲劳的设计要求。关键词:风力发电机组;轮毂;有限元;强度;疲劳AnalysisofWheelHubIntensityandFatigueLifeofWindGeneratorUnit(QingdaoHuachuangWindpowerco.,LTD.,DatangGroup,Qingdao266109,Shandong,China)ZHANGXiaolin,LIUYanxuan,LIYinshuai,HUMingqingAbstract:Wheelhubisanimportantpowertransmissioncomponentofwindgeneratorunit,anditsqualitydirectlyinfluencesthenormaloperationandservicelifeofwholeunit.Accordingtothewindturbinespecifications,thispaperanalyzedwheelhubultimatestrengthandfatiguelifeof3.0MWwindgeneratorunitbyapplyingANSYSfiniteelementanalysissoftware,andobtainedVonMisesstressnephogramandfatiguelifenephogramunderwheelhublimitload,whichvalidatedthatwheelhubmetthedesignrequirementsofstrengthandfatigue.Keywords:windturbine;wheelhub;finiteelement;strength;fatigue中图分类号:TH123.3;TK830引言随着人们对环境问题的日益关注,风力发电作为一种绿色新兴能源的利用形式,也得到了快速发展。风力发电机组作为风力发电的载体,其研发设计与制造水平成为风力发电技术发展的关键。随着MW级风力机的出现和风力发电机组商品化和国产化进程的推进,有限元数值分析理论和方法也逐步应用于风力发电机组的结构设计中。ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件,其极强的分析功能覆盖了几乎所有工程问题[1],因此在风力发电机组零部件的强度分析中得到广泛应用。轮毂是风力发电机组的重要组成部件,分别与三叶片和主轴相连,将叶片传来的所有载荷通过主轴传递给齿轮箱等部件。因此,轮毂需要有足够的强度和刚度,以确保风力发电机组在各个工况下能稳定正常地运行。同时,轮毂在运行过程中受到复杂交变载荷的作用,对轮毂的疲劳仿真分析也非常重要。本文采用有限元法对轮毂进行了强度和疲劳分析,应用ANSYS软件构建轮毂的有限元计算模型并完成轮毂不同工况的强度计算,并应用FE-SAFE软件完成轮毂的疲劳寿命计算。通过有限元法对轮毂进行仿真分析,验证所设计轮毂的强度和疲劳寿命是否满足设计要求,为轮毂的优化设计提供理论依据。1轮毂的几何结构及载荷分析风力发电机组轮毂的几何模型如图1所示,模型中已将小的孔类、圆角、倒角及小凸台等对计算结果影响很小的结构略去[2],这样可在保证计算精度的前提下,提高计算效率。轮毂主体为球形,3个叶片安装位置成对称分布,夹角为120°。每个叶片连接处的法兰盘与变桨轴承的外圈通过螺栓连接,变桨轴承的内圈与叶片相连,连接处腹板上的大孔为变桨电机安装孔,用于安装变桨电机和变桨减速器。轮毂后端通过螺栓与主轴相连,将风轮的转矩通过主轴传递到风力发电机组其它传动系统。图1轮毂的简化几何模型叶片产生的气动载荷及由于风轮旋转和机舱对风转动引起的离心力、惯性力和重力通过3个叶片传递给变桨轴承并最终传递到轮毂上,这些载荷和轮毂自身的重力构成了轮毂载荷。因此,在轮毂的有限元分析中,为提高分析准确性,需建立变桨轴承、叶片及主轴的假体,用于加载载荷和施加约束。2轮毂的有限元建模与极限强度分析2.1材料特性在有限元分析计算中,结构静强度分析所需的材料特性主要是材料的弹性模量和泊松比。轮毂为铸件结构,其材料为球墨铸铁QT400-18AL,该材料的弹性模量为1.73×1011Pa,泊松比为0.3,其屈服强度为220MPa。变桨轴承和主轴的材料均为合金结构钢42CrMo,它们的弹性模量均为2.06×1011Pa,泊松比为0.3;叶片材料为玻璃纤维增强塑料GFRP(俗称玻璃钢),分析中视为各项同性材料,其弹性模型取为2.06×1011Pa,泊松比取0.3。根据以上材料的特性,可在ANSYS中完成对应材料属性的定义。2.2结构的网格划分网格划分是建立有限元模型过程中最复杂最关键的一部分,网格质量好坏及所选择单元类型直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度[3]。将SolidWorks建立的轮毂和轴承、主轴、叶片假体的三维模型直接导入ANSYS中,然后分别进行网格划分得到所需单元。由于轮毂结构复杂且形状不规则,该结构的单元类型采用高阶十节点四面体单元SOLID187,网格划分时对圆角及孔周围等部位进行网格加密处理。变桨轴承、主轴及叶片假体是规则的轴对称结构,故单元类型采用低阶八节点六面体单元SOLID185,采用这种网格划分形式,可在保证计算精度的前提下加快计算速度,提高模型收敛性。变桨轴承滚珠部分采用杆单元Link180来模拟,并设置杆单元属性为只受压不受拉。完成网格划分的整体结构有限元模型如图2所示。图2整体有限元模型2.3载荷及边界条件的施加用于轮毂强度计算的载荷是由Bladed软件计算出的极限工况下每个叶根中心的载荷。在ANSYS中,在每个叶根中心处建立节点,节点分别与叶片假体端面做MPC(多点约束算法)绑定接触,然后在每个节点施加极限载荷,施加载荷节点的坐标系采用GL(GermanischerLloyd,德国劳氏船级社)规范[4]中规定的叶片坐标系,坐标系方向如图3所示。边界约束条件为在主轴假体后端节点上施加全约束,即约束后端面节点上X、Y、Z3个方向上位移和旋转自由度。设计结构中,轮毂与变桨轴承及主轴通过螺栓连接,但本分析主要针对轮毂自身的强度,因此,在ANSYS分析中将轮毂与变桨轴承和主轴的连接形式简化为绑定接触的方式[5-6]。XB:叶根坐标系的X轴方向;YB:叶根坐标系的Y轴方向;ZB:叶根坐标系的Z轴方向FXB:叶根坐标系下X轴方向的力,kN;FYB:叶根坐标系下Y轴方向的力,kN;FZB:叶根坐标系下Z轴方向的力,kN;MXB:叶根坐标系下X轴方向的力矩,kN·m;MYB:叶根坐标系下Y轴方向的力矩,kN·m;MZB:叶根坐标系下Z轴方向的力矩,kN·m图3叶片坐标系Bladed软件计算得出的极限载荷工况共有48个,每个工况均包括3个节点的X、Y、Z3个方向的力和力矩。由于涉及的极限工况较多,现只将极限强度计算中得到轮毂应力最大的一个工况的载荷列出,如表1所示,其中Mx、My、Mz分别为叶根载荷X、Y、Z3个方向的力矩,kN·m;Fx、Fy、Fz分别为叶根载荷X、Y、Z3个方向的力,kN。表1极限工况载荷表工况号103_021MxkN·mMykN·mMzkN·mFxkNFykNFzkN叶片13758.81841.4-7.7281.9-191.5631.9叶片2-2012.11506.8-60.461.9145.0548.4叶片3-512.6-8801.9106.1-272.67.28309.92.4极限强度计算结果分析运用ANSYS软件分别对48个极限载荷工况的载荷进行计算,得到了工况号为103_021的极限工况下轮毂VonMises应力(冯·米塞斯等效应力)最大,应力大小为154MPa,出现在轮毂腹板变桨电机的安装孔处,该工况下轮毂应力云图如图4所示。从结构上看,该部位板厚比较薄,且开孔曲率较大,比较容易应力集中,所以计算得出的轮毂在该部位应力最大与实际情况是相符的。轮毂材料QT400-18AL的屈服极限应力σs为220MPa,根据风力机相关规范,取轮毂局部安全系数γm=1.1,则其许用应力:[σ]=σs/γm=200MPa。(1)而轮毂在极限工况下的最大应力为154MPa,小于200MPa,因此,轮毂满足静强度要求。图4轮毂的应力云图3轮毂的疲劳寿命分析风力发电机组工作环境复杂,风轮时时处于不同风况风速下旋转运行,轮毂除了承受的载荷种类多且作用形式复杂外,所承受的各种载荷也在随机变化,因此,除了需分析轮毂的极限强度外,轮毂的疲劳寿命也必须要考虑[7]。风力发电机组的设计寿命一般为20a,轮毂必须能满足该寿命要求,需对轮毂疲劳寿命进行分析。3.1轮毂材料的S-N曲线根据GL规范中S-N(应力—寿命)曲线相关参数的计算公式,得到轮毂材料QT400-18AL的S-N曲线如图5所示,其中拐点处寿命为2.6e6,对应应力幅值为81.85MPa。图5轮毂材料的S-N曲线3.2轮毂的疲劳计算本文采用基于有限元的准静态叠加方法来计算校核轮毂的疲劳寿命,通过ANSYS软件和FE-SAFE软件相结合求解得到。首先在ANSYS软件中分析轮毂在单位载荷作用下的静强度应力值。然后在FE-SAFE软件中,将单位载荷作用下的应力值与相应载荷时间历程进行多工况叠加,以多轴疲劳理论中的关键平面法计算最危险平面的总损伤[8],其中,计算中用到的载荷时间历程由Bladed软件计算得到。3.3疲劳计算结果分析在FE-SAFE软件中对轮毂的疲劳寿命进行分析,可得到轮毂的疲劳寿命为2685a,远大于风力发电机组的设计寿命20a,所以轮毂的疲劳寿命满足要求。FE-SAFE软件完成疲劳寿命计算的同时,可得到一个ANSYS可读取的结果文件,可在ANSYS中显示疲劳寿命云图,如图6所示,在云图中可看到轮毂各个部位的寿命大小,其中云表数值表示疲劳寿命指数。图6疲劳寿命显示云图4结语根据风力机组的设计规范,采用有限元分析法对3.0MW级风力发电机组的轮毂进行了极限强度分析和疲劳寿命分析,分别得到了轮毂的强度和疲劳寿命云图。通过计算分析和云图可知,轮毂最大应力发生在轮毂腹板上变桨电机安装孔处,该处也是轮毂疲劳寿命最小的部位,即最容易发生疲劳损伤的地方。虽然该部位是轮毂的最危险位置,但该位置的应力大小和疲劳寿命仍满足设计要求。因此,所分析的轮毂满足静强度和疲劳寿命的设计要求,同时,根据轮毂的计算分析结果,可对轮毂进行优化,减小轮毂重量,降低轮毂制造成本。参考文献:[1]刘伟,高伟成,于广滨.ANSYS12.0宝典[M].北京:电子工业出版社,2010:2-10.[2]何玉林,杨豆思,金鑫,等.大型直驱型风力发电机组轮毂强度分析[J].机械科学与技术,2012,31(11):1825-1830.[3]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京:北京大学出版社,2003.[4]GermanischerLloyd.GLRulesandGuidelinesIV1GuidelinefortheCertificationofWindTurbines[S].Hamburg:GermanischerLloydIndustrialServicesGmbH,2010.[5]王平,曹家勇,张执南.大型风力发电机轮毂强度的有限元分析和应用[J].华东电力,2009,37(7):1206-1208.[6]陈严,田鹏,刘雄,等.水平轴风力机轮毂强度分析方法研究[J].太阳能学报,2010.31(7):912-916.[7]姚兴佳,宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.[8]姚兴佳,宋俊,王益全,等.风力发电机组理
本文标题:张晓琳--MW级风力发电机组轮毂强度与疲劳寿命有限元分析
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