風(fēng)力發(fā)電機組輪轂極限強度的有限元分析

摘 要：文章是基于有限元理論，對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的輪轂進行強度及疲勞計算。輪轂是風(fēng)力發(fā)電機中的重要組成部分，鑄造而成，是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的核心部件，其形狀復(fù)雜，輪轂的設(shè)計質(zhì)量會直接影響到整個機組的正常運行及使用壽命，在其受復(fù)雜風(fēng)載荷的作用下，其強度和疲勞耐久性成為此行業(yè)關(guān)注的焦點。此分析利用大型有限元分析軟件Ansys對輪轂?zāi)Ｐ头治?。模型中包含輪轂、主軸及葉片，從輪轂的應(yīng)力分布情況，從中找出最危險的部位，為輪轂的設(shè)計提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機；輪轂；有限元分析；極限強度

1 緒論

1.1 課題研究背景

經(jīng)濟發(fā)展過程中，我國作為世界上人口最多的發(fā)展中國家，能源消耗量不斷增加，傳統(tǒng)化石能源無以為繼，面臨的能源開發(fā)利用的資源約束越來越多，環(huán)境壓力也越來越大。如今，生態(tài)環(huán)境承載能力弱、資源相對緊張。傳統(tǒng)能源利用導(dǎo)致的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，以及全國范圍內(nèi)的霧霾天氣都在提醒我們要努力做到全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，以符合當(dāng)今國情。在眾多的可再生能源中，風(fēng)能以其巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿κ艿饺藗兊牟毮俊?/p>

1.2 輪轂在大型風(fēng)力發(fā)電機組的重要性

在大型風(fēng)力發(fā)電機組中，輪轂是核心構(gòu)件，其不僅承擔(dān)著與驅(qū)動連的鏈接，而且將葉片所受的風(fēng)載荷通過主軸傳遞給齒輪箱，承擔(dān)著風(fēng)力發(fā)電機組容量增大而帶來的更大的負(fù)荷。它需要有足夠的強度和剛度，以保證機組在各種工況下能正常運行。由此可看出輪轂在風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計和制造過程中的重要性。

2 輪轂的強度校核計算

2.1 輪轂?zāi)Ｐ徒榻B

輪轂?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)見圖1

此機組風(fēng)輪由三片葉片對稱安裝在輪轂上構(gòu)成，葉片間的夾角為120°。利用CAD繪圖軟件Solidworks，繪制了輪轂的三維實體幾何簡化模型。在保證計算精度的前提下，由于小的孔類、圓角及小凸臺類結(jié)構(gòu)對計算結(jié)果影響很小并且不是關(guān)鍵部位，已經(jīng)略去。葉片產(chǎn)生的氣動載荷以及由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)和機艙對風(fēng)輪轉(zhuǎn)動引起的離心力、慣性力和重力通過三片葉片連接點傳遞到輪轂上，這些載荷和輪轂自身的重力構(gòu)成了輪轂載荷。最終，輪轂簡化后的幾何模型如圖1所示。

按照輪轂傳力關(guān)系，我們應(yīng)在Ansys中建立出葉片和主軸。葉片與主軸的接觸方式我們可有兩種選擇，一種是以共節(jié)點的方法視輪轂、主軸和葉片為一體，此種方法的優(yōu)點是計算精度高，網(wǎng)格較為匹配。第二種方法是利用接觸即Ansys中的contact，此種方法的優(yōu)點是，不用考慮網(wǎng)格之間的匹配關(guān)系，劃分網(wǎng)格較為容易，但輪轂網(wǎng)格已經(jīng)進行加密，而葉片處不是計算所關(guān)心的部位，網(wǎng)格的劃分較為粗糙，接觸時易發(fā)生穿透現(xiàn)象，避免此現(xiàn)象的發(fā)生需要不斷調(diào)節(jié)葉片的網(wǎng)格。在本次計算中，我們所采用的方法為第一種。

2.2 材料介紹

在有限元分析計算中，結(jié)構(gòu)靜強度分析主要考慮的是材料的彈性模量和泊松比。本文采用的輪轂為鑄件結(jié)構(gòu)，其材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，具有良好的低溫沖擊韌性，鑄造性能好，耐磨、耐熱、耐腐蝕性較好；成本低等。其楊氏模量為1.73E+11N/m2，泊松比是0.3，抗拉強度3.9E+8Pa，屈服強度2.5E+8Pa，在風(fēng)力發(fā)電機組中大部分鑄件都采用此材料。主軸采用的材料為42CrMo，其是合金結(jié)構(gòu)鋼，有很高的靜力強度、沖擊韌性及較高的疲勞極限。葉片的材料為高強玻璃鋼，在本次分析中視為各相同性材料，此材料質(zhì)輕、高強、耐腐蝕等優(yōu)良性能。主軸和葉片的楊氏模量為2.06E+11N/m2，泊松比是0.3。在本文中都采用國際單位制。

2.3 分析采用的坐標(biāo)系

坐標(biāo)系引用GL規(guī)范第四章中，輪轂坐標(biāo)系，輪轂迎風(fēng)方向為X正方向，Z為塔架豎直向上的方向為正。

2.4 輪轂有限元網(wǎng)格的劃分

作為有限元仿真分析，模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響著后續(xù)分析結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確程度。在本次分析中，輪轂采用的是三維實體單元，由于輪轂與葉片連接處圓角及相貫特征較多，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)在這個部位進行網(wǎng)格加密。在單元的階次上采用二次單元。所以，此次分析采用單元類型為二次十節(jié)點四面體單元solid187。

在分網(wǎng)前處理模型，將輪轂與葉片連接處的根部加密，在所要切割部位做工作平面坐標(biāo)，利用坐標(biāo)系的XY平面切分輪轂?zāi)Ｐ汀Ｔ诓恍枰用艿牟糠?，可選擇一個較大的尺寸來劃分網(wǎng)格，在輪轂的厚度方向上至少保持3-5個單元以上。在加密處，單元尺寸要以小的圓角或易出現(xiàn)應(yīng)力集中部位保證3個單元。

2.5 輪轂計算的邊界條件

輪轂的計算邊界條件是模擬輪轂在靜態(tài)環(huán)境下，風(fēng)載荷通過葉片傳遞給輪轂，而在Ansys中，在葉根中心處分別建立節(jié)點與葉片的端部做接觸，此處為剛性接觸。由Bladed軟件計算出的此計組的極限工況載荷分別施加在這三個節(jié)點處。在三個節(jié)點處要分別建立局部坐標(biāo)系以葉片方向為Z軸，主軸的方向為X軸，由右手定則確定Y軸。

2.6 極限強度計算

根據(jù)輪轂的實際安裝情況，輪轂所受的力通過主軸傳遞給齒輪箱，主軸端部施加全約束。將各載荷施加在葉根中心節(jié)點上。計算采用極限工況2My-min，1Mx：-443，1My：-428，1Mz：616，1Fx：-3.5，1Fy：32，1Fz：358，2Mx：-1477，2My：-4615，2Mz：-29，2Fx：-193， 2Fy：64，2Fz：230，3Mx：921，3My：209，3Mz：1.5，3Fx：12，3Fy：-88，3F

z：349。單位為KN和KNm

2.7 計算結(jié)果

根據(jù)工況載荷的計算，得出輪轂的V.Mises應(yīng)力為195Mpa，應(yīng)力最大位置為輪轂葉根處。最大變形量為4.87mm。

根據(jù)V.Mises應(yīng)力塑形材料標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)取1.1。輪轂材料的屈服應(yīng)力為：

此輪轂在此極限工況下極限強度合格。結(jié)果云圖如圖2：

參考文獻

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[4]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編.理論力學(xué).第6版.北京：高等教育出版社.