5 MW風力發電機試驗架的有限元分析

沈小寧，趙澤湘

（湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭 411101）

0 引言

在進行一項新產品的設計時，面對新的結構，新的載荷形式，我們往往會有以下疑問：零件的強度夠不夠？它會如何變形？它變形量有多大？能否在不影響性能的情況下用更少的材料等。這就需要我們對零件的應力進行校核計算。一般情況下，我們均采用傳統機械強度公式進行校核計算，但是該方法村在一定的缺點，就是步驟多，有時候公式較為復雜，計算時間較長且容易出錯，直觀性不強，不能適應現代設計工作高效準確直觀的要求。

隨著現代計算機分析軟件的飛速發展，我們在設計過程中對復雜結構或復雜工況下也逐步借助分析軟件ANSYS有限元分析進行設計校核和優化設計。在這次5MW風力發電機試驗架的設計中，我們采用了ANSYS軟件對該試驗架進行了受力分析。分析結果證明了該設計的可行性和經濟性，取得了不錯的效果，大大提高了設計效率和準確率。

1 5 MW風力發電機的試驗原理

如圖1所示，兩臺風力發電機的定子分別安裝在試驗架上面，中間用彈性聯軸器將兩臺發電機對接，一臺用作電動機，一臺作為測試機進行試驗。風力發電機重約130 T，吊上安裝在試驗架的法蘭盤上。由于發電機的重力和它對試驗架的一個轉矩，會對試驗架產生一個形變，如果形變過大，彈性柱銷不好安裝，而且在電機運轉試驗過程中，對柱銷反復產生一個較大的折彎形變，造成柱銷的斷裂，影響試驗結果。

2 有限元分析

2.1 模型說明

如圖2所示，5 MW風力發電機試驗架模型，試驗架由法蘭盤、支架、立柱、底板等構成，采用普通碳鋼Q235進行焊接而成，總重約35 T。分別計算電機靜止安裝及運轉時試驗架的變形及應力情況。

2.2 約束條件

對試驗架底板下14個調整墊鐵的底面全約束，如圖3示。

2.3 載荷加載

用耦合剛性區加載方式。靜止時，在試驗架法蘭盤螺栓安裝圓環面的中心點上施加130 T的集中力和1170000 N·m的力矩。分析電機運轉時支撐臺的變形，額外對試驗架法蘭盤螺栓安裝圓環面的中心點施加2652777 N·m的轉矩。

2.4 分析結果

2.4.1 電機靜止安裝時

支撐臺及各部件變形如圖4。

支撐臺整體最大變形為5.57 mm，在試驗架的最上方；試驗架的應力圖如圖5。

支撐臺整體最大應力為249 MPa，在支架連接電機法蘭盤的下方，由于法蘭盤的變形受到支架的約束，在局部應力集中位置存在塑性變形。

2.4.2 電機運轉實驗時

試驗架整體最大變形為5.592 mm，在試驗架最上方。試驗架整體及部件應力情況如圖6

試驗架整體最大應力為276 MPa，在支架連接電機法蘭盤的下方，由于法蘭盤的變形受到支架的約束，在局部應力集中位置存在塑性變形。

3 結論

由以上數據可以看出，試驗支架所受的最大應力在材料許用范圍以內，形變量也是在彈性柱銷的可調范圍內，所以該設計完全符合工況要求。

從以上的應用實例我們可以看到，如采用傳統公式進行計算，計算量比較大且效率不高，當多個部件疊加時，分析難度將還要加大，時間周期也很長，結果還不一定準確，并且還得不到直觀的圖示。采用ANSYS進行機械設計的力學分析，可方便快捷的進行機械零部件的應力及變形量分析，極大地提高了新產品設計工作的效率和準確性，是設計人員的一個非常有力的幫手。

[1] 聞邦椿. 機械設計手冊5版. 北京: 機械工業出版社, 2012.

[2] Ansys非線性培訓手冊，ANSYS公司編制.

[3] 宋天霞. 有限元法. 武漢: 理工大學出版社,1987.