基于ANSYS的風機蓄能器抱箍疲勞分析

都爍然，高麗新，胡志棟*，姜繼海

(1.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱 150080)

風能作為清潔能源，隨著當前世界對環境保護及可再生能源利用的關注程度增加，越來越受到人們的重視。由于技術進步，采用先進的充電器、逆變器，風力發電成為有一定科技含量的小系統，并能在一定條件下代替正常的市電，因此風能發電在未來具有很好的前景[1]。

風力發電機是將風能轉換為機械功的動力機械，簡稱風機，又稱風車，外觀如圖1所示。風機的工作環境比較惡劣，往往應用在旅游景區、邊防、學校、部隊乃至落后的山區。由于種種因素，風機需要能夠在交變載荷下安全、穩定、長時間的工作。

圖1 風力發電機外觀圖

對風機機架等關鍵承載部件的分析已有較多論述，其良好的設計、可靠的品質和優越的性能是保證風電機組正常穩定運行的關鍵因素，但是平常不被人注意的蓄能器抱箍失效，也會引起巨大損失。抱箍失效會導致蓄能器脫落，進而由于風機的旋轉，從風機內部損壞其他部件，造成風機整機的破壞，造成巨大經濟損失，后果十分嚴重。

1 抱箍工作環境

蓄能器抱箍的工作情況如圖2所示，抱箍用于將蓄能器及其附件固定在機架上。圖3所示蓄能器被抱箍固定在機架上，隨著風機葉片做旋轉運動，因此在蓄能器及附件的重力及離心力作用下，對抱箍會產生一個周期與風機轉動周期相對應的交變載荷。在抱箍設計時，往往容易忽略此交變載荷的作用，只考慮重力和離心力的作用，進而造成失效，失效情況如圖4所示。

圖2 蓄能器抱箍工作環境圖

圖3 蓄能器抱箍隨機架旋轉圖

圖4 抱箍斷裂部位圖

2 疲勞分析理論

疲勞破壞是指材料或結構在遠低于材料強度極限的交變應力作用下，發生破壞的現象。影響疲勞的因素包括交變載荷經歷的循環次數、應力幅、平均應力、有否局部應力集中等。疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據統計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經常造成重大事故。

疲勞累積損傷理論是疲勞分析的理論基礎，其中最具代表性的是Palmgren-miner法則[2]，miner理論認為材料的疲勞破壞時由于循環載荷的不斷作用而產生損傷并不斷積累造成的，疲勞損傷累積達到破壞時吸收的凈功為W，總循環次數為N，材料的疲勞損傷程度與應力循環次數成正比，在某一等級應力下，試樣達到破壞時的應力循環次數為Ni，經Ni次應力循環而產生疲勞損傷吸收的凈功為Wi，有：

(1)

若構件在某恒定應力S作用下，循環至破壞的壽命為N，則定義其在經歷n次循環時的損傷為：

(2)

顯然，在某恒定應力S作用下，若n=0，則D=0，構件未受疲勞損傷，若n=N，則D=1，構件發生疲勞破壞。

若在k個應力Si作用下，各經歷ni次循環，則其總損傷(即疲勞壽命使用系數)為：

(3)

當D=1時發生破壞。

3 抱箍靜力學分析

首先對風機抱箍的工作環境進行分析，提取主要力。因抱箍起到保持蓄能器相對支架固定，隨風機主軸旋轉的作用，因此，蓄能器的質量在轉動過程中產生豎直向下的力即成為抱箍需要克服的力，因為風機轉速一般不高，此處忽略轉動產生的離心力作用。如圖5所示，把蓄能器及附件質量產生的重力設為G，則抱箍所承受的最大力F為：

(4)

式中：a為兩個抱箍之間距離；b為一個抱箍距離蓄能器及組件重心的距離。

圖5 抱箍受力分析圖

依據實際抱箍尺寸，在Solidworks中建立抱箍的三維模型，導入ANSYS中劃分網格，根據實際抱箍受力及約束情況[3-9]，在腰形孔處施加三個方向的約束，在半圓形環面施加載荷，進行有限元分析，得到抱箍的Von Mises Stress應力云圖如圖6所示。將受應力最大部位放大如圖7所示，由圖可知，最大應力284MPa，位于抱箍腰形孔處，與實際抱箍斷裂位置相同。理論上，此處應力集中，雖然最大應力并未達到材料應力極限，但在交變載荷作用下，會逐漸產生疲勞裂紋，并逐步擴大，終至斷裂。這也解釋了抱箍斷裂位置都集中在腰形孔的遠端這一現象。

圖6 應力云圖

圖7 應力云圖局部放大

4 S-N曲線設置及ANSYS疲勞分析

S-N曲線，即應力幅-壽命曲線，是以材料標準試件疲勞強度為縱坐標，以疲勞壽命的對數值lgN為橫坐標，表示一定循環特征下標準試件的疲勞強度與疲勞壽命之間關系的曲線。我們通常所說的材料的S-N曲線，是指把原材料做成圓棒形、在指定的加工精度等級和熱處理工藝下的標準試件，得到拉、壓、彎曲和扭轉作用下的疲勞壽命，從而得到的相應的S-N曲線。因此，不同的零件，因形狀不同，加工精度和熱處理工藝也不盡相同，其S-N曲線也自然不同。故而對于特定情況的仿真應用S-N曲線僅用于參考。用ANSYS進行仿真，在定義材料，確定應力位置之后，輸入S-N曲線，查閱手冊，得到抱箍材料的S-N曲線如圖8所示，提取S-N數據見表1。將數據輸入ANSYS進行疲勞壽命分析。由應力分析可知，抱箍在工作時，σmax=284 MPa，σmin=0 MPa，將已知數據輸入ANSYS進行仿真，得到疲勞循環次數為4.696×106次。

圖8 材料的S-N曲線(材料參照為Q235鋼)

表1 材料S-N特性表

5 結 論

本文針對風機蓄能器抱箍在正常工作一段時間后出現斷裂的現象，造成蓄能器整體脫落損壞風機這一嚴重事件，對風機蓄能器抱箍用有限元法進行了應力分析及疲勞壽命分析，得出抱箍的疲勞壽命，合理解釋了實際中出現的抱箍斷裂問題。

材料的疲勞壽命受S-N曲線的影響較大，為提高疲勞壽命，有效的避免疲勞失效，可以通過降低平均應力和減小應力集中兩個方面來實現。針對風機蓄能器抱箍在具體實施中，可以增大抱箍厚度，圓滑過渡防止應力集中，選用更好的材料等。

【參 考 文 獻】

[1]何玉林，吳德俊，侯海波，等.42CrMo風機塔筒法蘭高強度螺栓疲勞壽命分析[J].材料熱處理技術，2012.41(4)：1-4.

[2]呂杏梅，宋加佳.兆瓦級風機機架焊縫疲勞分析[J].電氣技術與自動化，2012，41(1)：172-175.

[3]高耀東，劉學杰.ANSYS機械工程應用精華50例[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]胡志棟，趙小強.基于ANSYS的木質基復合材料的靜力學分析[J]森林工程，2010，26(5)：37-40.

[5]王 俊.基于ANSYS的桁架結構優化[J].黑龍江科技信息，2010(18)：8.

[6]楊 彬，王德吉，李源源，等.基于ANSYS的活塞連桿強度分析[J].科技創新導報，2012(16)：72.

[7]胡志棟，趙小強.基于ANSYS的木質基復合材料的靜力學分析[J].森林工程，2010，26(5)：37-40.

[8]胡志棟，萬雨婷.基于ANSYS 的壓力容器可靠性分析[J].森林工程，2011，27(4)：15-19.

[9]李 孝.抱箍的應力與變形分析[J].中小企業管理與科技,2012(13)：148-150.