直驅(qū)型風(fēng)力機(jī)組的底盤與發(fā)電機(jī)連接強(qiáng)度分析

張曉琳　劉衍選　陳虎

摘 要：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部件之間的連接螺栓的強(qiáng)度直接影響著整個(gè)風(fēng)力機(jī)組的性能和使用壽命。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)某MW級(jí)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，得到了連接螺栓在不同極限工況下的應(yīng)力大小以及接觸面的接觸狀態(tài)，驗(yàn)證了該處的連接螺栓能夠滿足設(shè)計(jì)工況的極限強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；連接螺栓；有限元；ANSYS；極限強(qiáng)度

1 背景

可再生能源的開發(fā)利用，對(duì)解決能源問題和環(huán)境問題具有重要的作用，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電整個(gè)過(guò)程都不產(chǎn)生任何污染，是真正的綠色能源。風(fēng)電技術(shù)自上世紀(jì)八十年代發(fā)展起步，步入本世紀(jì)初，歐洲、北美、中國(guó)等地區(qū)和國(guó)家迅速開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展十分迅速，功率從kW級(jí)別發(fā)展到MW級(jí)別，結(jié)構(gòu)尺寸也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的計(jì)算分析方法已經(jīng)不能滿足風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用新的3D建模軟件和計(jì)算分析軟件，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和分析的更加精確，從而保證我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良好發(fā)展。

ANSYS軟件是目前國(guó)際上最著名的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、汽車、電子、機(jī)械、土木工程等各個(gè)研究領(lǐng)域，其極強(qiáng)的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題[1]，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中必不可少的分析工具，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)分析中起著至關(guān)重要的作用。

2 底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓強(qiáng)度分析的意義

與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪直接與發(fā)電機(jī)相連，中間省去了主軸、齒輪箱及其附件等部件，在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪直接將動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電能。這種直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒有齒輪箱，可減少傳動(dòng)損耗，提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率；同時(shí)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性，從而降低了運(yùn)行及維護(hù)成本[2]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)一側(cè)與輪轂相連，另一側(cè)通過(guò)高強(qiáng)度螺栓固定于機(jī)艙的底盤上，然后通過(guò)底盤以及偏航軸承等部件固定于塔架上方。因此，機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓承受著輪轂傳遞過(guò)來(lái)的不同工況下的力與力矩及其發(fā)電機(jī)自身的重力，其螺栓的強(qiáng)度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性起著重要的作用。

底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓在連接位置處圓周均布，因此在相同載荷下不同位置的螺栓受力各不相同，同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有多種工況，不同工況下產(chǎn)生的載荷情況也不相同，因此，連接螺栓的受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法來(lái)計(jì)算螺栓的強(qiáng)度較麻煩且準(zhǔn)確性不高[3]。采用有限元分析法，應(yīng)用有限元軟件ANSYS構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，對(duì)連接螺栓進(jìn)行了不同工況的強(qiáng)度分析，并且根據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了連接螺栓的可靠性。

3 連接螺栓的強(qiáng)度分析

3.1 底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓的幾何分析模型

底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓的幾何模型如圖1所示，發(fā)電機(jī)通過(guò)兩排均布的10.9級(jí)M36螺栓與機(jī)艙底盤連接，內(nèi)外兩圈的螺栓數(shù)均為60個(gè)，其中內(nèi)圈螺紋孔的分布直徑為1700mm，外圈螺紋孔的分布直徑1900mm。由于連接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相應(yīng)的單元，因此該幾何模型只需確定螺栓孔位置與大小即可。

由于本次分析主要是分析連接螺栓的強(qiáng)度，因此本次分析中的底盤與發(fā)電機(jī)的幾何模型在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將小的孔類、圓角及小凸臺(tái)等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)略去，這樣可以在保證計(jì)算精度的前提下，降低網(wǎng)格劃分難度，縮短計(jì)算時(shí)間。

3.2 材料特性

在有限元分析計(jì)算中，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析所需的材料特性主要是材料的彈性模量和泊松比。文章的底盤和發(fā)電機(jī)均為鑄件，其材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，該材料的彈性模量為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓的材質(zhì)一般為低碳合金鋼或中碳鋼，屈服強(qiáng)度為940MPa，而所用的螺栓墊圈的材料為Q345E，它們的彈性模量均為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型過(guò)程中最復(fù)雜最關(guān)鍵的一部分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞以及所選擇的的單元類型直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度[4]。底盤與發(fā)電機(jī)部分是將Solidworks建立的三維模型直接導(dǎo)入ANSYS中，然后分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到所需單元。由于底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)的單元類型采用SOLID187四面體單元，而發(fā)電機(jī)是規(guī)則的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故單元類型采用SOLID185六面體單元，采用這種網(wǎng)格劃分形式，可以在保證計(jì)算精度的前提下加快計(jì)算速度。螺栓部分則直接在ANSYS中采用BEAM188梁?jiǎn)卧⑾鄳?yīng)的單元模型，BEAM188梁?jiǎn)卧慕孛娲笮“碝36螺栓的應(yīng)力截面面積進(jìn)行設(shè)定。完成網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2所示。

3.3.2 載荷及邊界條件的施加

底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓承受的載荷主要是輪轂中心處的極限工況載荷和發(fā)電機(jī)的重力。在輪轂中心處建立節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)端面節(jié)點(diǎn)做MPC綁定接觸，在該節(jié)點(diǎn)處施加由風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算軟件Bladed軟件計(jì)算得到的16組極限工況載荷，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系采用GL規(guī)范中規(guī)定的輪轂坐標(biāo)系[5]，坐標(biāo)系方向如圖3所示。在發(fā)電機(jī)重心位置建立節(jié)點(diǎn)，同理，該節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)部分內(nèi)表面做綁定接觸，并在該節(jié)點(diǎn)處施加發(fā)電機(jī)重力。分析中發(fā)電機(jī)與機(jī)艙底盤的接觸面之間定義摩擦接觸關(guān)系，摩察系數(shù)大小取0.2，在主機(jī)架下端節(jié)點(diǎn)上施加全約束，即約束該面上所有節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向上位移和旋轉(zhuǎn)自由度。

3.4 求解計(jì)算與結(jié)果分析

由于該結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型涉及到接觸非線性問題，并且連接螺栓在受載荷力之前需施加螺栓預(yù)緊力，因此，求解過(guò)程采用多載荷步的方式進(jìn)行計(jì)算，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步施加螺栓所受的極限工況載荷。

運(yùn)用ANSYS軟件分別計(jì)算比較輪轂中心處的16組極限工況載荷下螺栓的應(yīng)力大小，可以得到My-min工況下螺栓組的應(yīng)力最大。My-min工況下輪轂的極限載荷為：Mx=-3.51kN·m，My=-4457.1kN·m，Mz=-2192.2kN·m，F(xiàn)x=-110.6kN，F(xiàn)y=90.5kN，F(xiàn)x=-778.7kN。在該工況下，螺栓組整體應(yīng)力結(jié)果和最危險(xiǎn)螺栓應(yīng)力結(jié)果分別如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，螺栓組的最大應(yīng)力為746 MPa。10.9級(jí)的螺栓的屈服應(yīng)力為940 MPa，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)規(guī)范，螺栓的安全系數(shù)為1.1，則螺栓的許用應(yīng)力為854.5 MPa，因此，該組連接螺栓在極限工況下能夠滿足靜強(qiáng)度要求。

底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓，除了滿足強(qiáng)度要求外，還需要考慮它們接觸面之間在預(yù)緊力和極限載荷作用下，圓周方向是否會(huì)發(fā)生滑移，應(yīng)避免使螺栓承受剪切力。通過(guò)ANSYS的計(jì)算分析，可以得到接觸面之間的接觸狀態(tài)，圖5為在My-min工況下發(fā)電機(jī)與底盤的接觸狀態(tài)分布圖，從圖中狀態(tài)分布可知，接觸狀態(tài)較好，接觸面之間沒有發(fā)生滑移。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述有限元的分析計(jì)算，可以看出該MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓的極限強(qiáng)度滿足各工況載荷的要求，同時(shí)它們的接觸面之間也不會(huì)發(fā)生使螺栓承受剪切力的滑移。通過(guò)上述分析過(guò)程，可以看出與傳統(tǒng)工程計(jì)算方法相比，采用有限元法分析受力復(fù)雜螺栓組的極限強(qiáng)度，能夠縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，螺栓的強(qiáng)度分析除了要進(jìn)行極限強(qiáng)度分析外，還需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的分析。需要根據(jù)螺栓所受的載荷時(shí)間歷程和螺栓的S-N曲線等內(nèi)容來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，最終確定螺栓是否能夠滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉偉，高偉成，于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010（7）.

[2]姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009（6）.

[3]王健.變載荷工況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接部件接觸強(qiáng)度分析研究[D].新疆：新疆大學(xué)，2010（6）.

[4]任重.ANSYS實(shí)用分析教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z]. 2010.

[6]何玉林，雷增宏，石秉楠.MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂連接螺栓接觸強(qiáng)度分析[J].現(xiàn)代制造工程，2011（04）：110-114.

[7]李軍，楊潔明，高俊云.大型風(fēng)力機(jī)組塔架螺栓連接應(yīng)力分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011（07）：30-33.

作者簡(jiǎn)介：張曉琳（1987-），女，山東青島，工程師，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的研究。endprint

摘 要：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部件之間的連接螺栓的強(qiáng)度直接影響著整個(gè)風(fēng)力機(jī)組的性能和使用壽命。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)某MW級(jí)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，得到了連接螺栓在不同極限工況下的應(yīng)力大小以及接觸面的接觸狀態(tài)，驗(yàn)證了該處的連接螺栓能夠滿足設(shè)計(jì)工況的極限強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；連接螺栓；有限元；ANSYS；極限強(qiáng)度

1 背景

可再生能源的開發(fā)利用，對(duì)解決能源問題和環(huán)境問題具有重要的作用，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電整個(gè)過(guò)程都不產(chǎn)生任何污染，是真正的綠色能源。風(fēng)電技術(shù)自上世紀(jì)八十年代發(fā)展起步，步入本世紀(jì)初，歐洲、北美、中國(guó)等地區(qū)和國(guó)家迅速開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展十分迅速，功率從kW級(jí)別發(fā)展到MW級(jí)別，結(jié)構(gòu)尺寸也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的計(jì)算分析方法已經(jīng)不能滿足風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用新的3D建模軟件和計(jì)算分析軟件，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和分析的更加精確，從而保證我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良好發(fā)展。

ANSYS軟件是目前國(guó)際上最著名的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、汽車、電子、機(jī)械、土木工程等各個(gè)研究領(lǐng)域，其極強(qiáng)的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題[1]，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中必不可少的分析工具，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)分析中起著至關(guān)重要的作用。

2 底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓強(qiáng)度分析的意義

與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪直接與發(fā)電機(jī)相連，中間省去了主軸、齒輪箱及其附件等部件，在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪直接將動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電能。這種直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒有齒輪箱，可減少傳動(dòng)損耗，提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率；同時(shí)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性，從而降低了運(yùn)行及維護(hù)成本[2]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)一側(cè)與輪轂相連，另一側(cè)通過(guò)高強(qiáng)度螺栓固定于機(jī)艙的底盤上，然后通過(guò)底盤以及偏航軸承等部件固定于塔架上方。因此，機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓承受著輪轂傳遞過(guò)來(lái)的不同工況下的力與力矩及其發(fā)電機(jī)自身的重力，其螺栓的強(qiáng)度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性起著重要的作用。

底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓在連接位置處圓周均布，因此在相同載荷下不同位置的螺栓受力各不相同，同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有多種工況，不同工況下產(chǎn)生的載荷情況也不相同，因此，連接螺栓的受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法來(lái)計(jì)算螺栓的強(qiáng)度較麻煩且準(zhǔn)確性不高[3]。采用有限元分析法，應(yīng)用有限元軟件ANSYS構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，對(duì)連接螺栓進(jìn)行了不同工況的強(qiáng)度分析，并且根據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了連接螺栓的可靠性。

3 連接螺栓的強(qiáng)度分析

3.1 底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓的幾何分析模型

底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓的幾何模型如圖1所示，發(fā)電機(jī)通過(guò)兩排均布的10.9級(jí)M36螺栓與機(jī)艙底盤連接，內(nèi)外兩圈的螺栓數(shù)均為60個(gè)，其中內(nèi)圈螺紋孔的分布直徑為1700mm，外圈螺紋孔的分布直徑1900mm。由于連接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相應(yīng)的單元，因此該幾何模型只需確定螺栓孔位置與大小即可。

由于本次分析主要是分析連接螺栓的強(qiáng)度，因此本次分析中的底盤與發(fā)電機(jī)的幾何模型在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將小的孔類、圓角及小凸臺(tái)等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)略去，這樣可以在保證計(jì)算精度的前提下，降低網(wǎng)格劃分難度，縮短計(jì)算時(shí)間。

3.2 材料特性

在有限元分析計(jì)算中，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析所需的材料特性主要是材料的彈性模量和泊松比。文章的底盤和發(fā)電機(jī)均為鑄件，其材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，該材料的彈性模量為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓的材質(zhì)一般為低碳合金鋼或中碳鋼，屈服強(qiáng)度為940MPa，而所用的螺栓墊圈的材料為Q345E，它們的彈性模量均為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型過(guò)程中最復(fù)雜最關(guān)鍵的一部分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞以及所選擇的的單元類型直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度[4]。底盤與發(fā)電機(jī)部分是將Solidworks建立的三維模型直接導(dǎo)入ANSYS中，然后分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到所需單元。由于底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)的單元類型采用SOLID187四面體單元，而發(fā)電機(jī)是規(guī)則的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故單元類型采用SOLID185六面體單元，采用這種網(wǎng)格劃分形式，可以在保證計(jì)算精度的前提下加快計(jì)算速度。螺栓部分則直接在ANSYS中采用BEAM188梁?jiǎn)卧⑾鄳?yīng)的單元模型，BEAM188梁?jiǎn)卧慕孛娲笮“碝36螺栓的應(yīng)力截面面積進(jìn)行設(shè)定。完成網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2所示。

3.3.2 載荷及邊界條件的施加

底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓承受的載荷主要是輪轂中心處的極限工況載荷和發(fā)電機(jī)的重力。在輪轂中心處建立節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)端面節(jié)點(diǎn)做MPC綁定接觸，在該節(jié)點(diǎn)處施加由風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算軟件Bladed軟件計(jì)算得到的16組極限工況載荷，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系采用GL規(guī)范中規(guī)定的輪轂坐標(biāo)系[5]，坐標(biāo)系方向如圖3所示。在發(fā)電機(jī)重心位置建立節(jié)點(diǎn)，同理，該節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)部分內(nèi)表面做綁定接觸，并在該節(jié)點(diǎn)處施加發(fā)電機(jī)重力。分析中發(fā)電機(jī)與機(jī)艙底盤的接觸面之間定義摩擦接觸關(guān)系，摩察系數(shù)大小取0.2，在主機(jī)架下端節(jié)點(diǎn)上施加全約束，即約束該面上所有節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向上位移和旋轉(zhuǎn)自由度。

3.4 求解計(jì)算與結(jié)果分析

由于該結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型涉及到接觸非線性問題，并且連接螺栓在受載荷力之前需施加螺栓預(yù)緊力，因此，求解過(guò)程采用多載荷步的方式進(jìn)行計(jì)算，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步施加螺栓所受的極限工況載荷。

運(yùn)用ANSYS軟件分別計(jì)算比較輪轂中心處的16組極限工況載荷下螺栓的應(yīng)力大小，可以得到My-min工況下螺栓組的應(yīng)力最大。My-min工況下輪轂的極限載荷為：Mx=-3.51kN·m，My=-4457.1kN·m，Mz=-2192.2kN·m，F(xiàn)x=-110.6kN，F(xiàn)y=90.5kN，F(xiàn)x=-778.7kN。在該工況下，螺栓組整體應(yīng)力結(jié)果和最危險(xiǎn)螺栓應(yīng)力結(jié)果分別如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，螺栓組的最大應(yīng)力為746 MPa。10.9級(jí)的螺栓的屈服應(yīng)力為940 MPa，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)規(guī)范，螺栓的安全系數(shù)為1.1，則螺栓的許用應(yīng)力為854.5 MPa，因此，該組連接螺栓在極限工況下能夠滿足靜強(qiáng)度要求。

底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓，除了滿足強(qiáng)度要求外，還需要考慮它們接觸面之間在預(yù)緊力和極限載荷作用下，圓周方向是否會(huì)發(fā)生滑移，應(yīng)避免使螺栓承受剪切力。通過(guò)ANSYS的計(jì)算分析，可以得到接觸面之間的接觸狀態(tài)，圖5為在My-min工況下發(fā)電機(jī)與底盤的接觸狀態(tài)分布圖，從圖中狀態(tài)分布可知，接觸狀態(tài)較好，接觸面之間沒有發(fā)生滑移。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述有限元的分析計(jì)算，可以看出該MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓的極限強(qiáng)度滿足各工況載荷的要求，同時(shí)它們的接觸面之間也不會(huì)發(fā)生使螺栓承受剪切力的滑移。通過(guò)上述分析過(guò)程，可以看出與傳統(tǒng)工程計(jì)算方法相比，采用有限元法分析受力復(fù)雜螺栓組的極限強(qiáng)度，能夠縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，螺栓的強(qiáng)度分析除了要進(jìn)行極限強(qiáng)度分析外，還需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的分析。需要根據(jù)螺栓所受的載荷時(shí)間歷程和螺栓的S-N曲線等內(nèi)容來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，最終確定螺栓是否能夠滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉偉，高偉成，于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010（7）.

[2]姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009（6）.

[3]王健.變載荷工況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接部件接觸強(qiáng)度分析研究[D].新疆：新疆大學(xué)，2010（6）.

[4]任重.ANSYS實(shí)用分析教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z]. 2010.

[6]何玉林，雷增宏，石秉楠.MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂連接螺栓接觸強(qiáng)度分析[J].現(xiàn)代制造工程，2011（04）：110-114.

[7]李軍，楊潔明，高俊云.大型風(fēng)力機(jī)組塔架螺栓連接應(yīng)力分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011（07）：30-33.

作者簡(jiǎn)介：張曉琳（1987-），女，山東青島，工程師，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的研究。endprint

摘 要：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部件之間的連接螺栓的強(qiáng)度直接影響著整個(gè)風(fēng)力機(jī)組的性能和使用壽命。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)某MW級(jí)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，得到了連接螺栓在不同極限工況下的應(yīng)力大小以及接觸面的接觸狀態(tài)，驗(yàn)證了該處的連接螺栓能夠滿足設(shè)計(jì)工況的極限強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；連接螺栓；有限元；ANSYS；極限強(qiáng)度

1 背景

可再生能源的開發(fā)利用，對(duì)解決能源問題和環(huán)境問題具有重要的作用，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電整個(gè)過(guò)程都不產(chǎn)生任何污染，是真正的綠色能源。風(fēng)電技術(shù)自上世紀(jì)八十年代發(fā)展起步，步入本世紀(jì)初，歐洲、北美、中國(guó)等地區(qū)和國(guó)家迅速開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展十分迅速，功率從kW級(jí)別發(fā)展到MW級(jí)別，結(jié)構(gòu)尺寸也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的計(jì)算分析方法已經(jīng)不能滿足風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用新的3D建模軟件和計(jì)算分析軟件，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和分析的更加精確，從而保證我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良好發(fā)展。

ANSYS軟件是目前國(guó)際上最著名的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、汽車、電子、機(jī)械、土木工程等各個(gè)研究領(lǐng)域，其極強(qiáng)的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題[1]，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中必不可少的分析工具，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)分析中起著至關(guān)重要的作用。

2 底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓強(qiáng)度分析的意義

與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪直接與發(fā)電機(jī)相連，中間省去了主軸、齒輪箱及其附件等部件，在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪直接將動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電能。這種直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒有齒輪箱，可減少傳動(dòng)損耗，提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率；同時(shí)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性，從而降低了運(yùn)行及維護(hù)成本[2]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)一側(cè)與輪轂相連，另一側(cè)通過(guò)高強(qiáng)度螺栓固定于機(jī)艙的底盤上，然后通過(guò)底盤以及偏航軸承等部件固定于塔架上方。因此，機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓承受著輪轂傳遞過(guò)來(lái)的不同工況下的力與力矩及其發(fā)電機(jī)自身的重力，其螺栓的強(qiáng)度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性起著重要的作用。

底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓在連接位置處圓周均布，因此在相同載荷下不同位置的螺栓受力各不相同，同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有多種工況，不同工況下產(chǎn)生的載荷情況也不相同，因此，連接螺栓的受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法來(lái)計(jì)算螺栓的強(qiáng)度較麻煩且準(zhǔn)確性不高[3]。采用有限元分析法，應(yīng)用有限元軟件ANSYS構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，對(duì)連接螺栓進(jìn)行了不同工況的強(qiáng)度分析，并且根據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了連接螺栓的可靠性。

3 連接螺栓的強(qiáng)度分析

3.1 底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓的幾何分析模型

底盤與發(fā)電機(jī)連接螺栓的幾何模型如圖1所示，發(fā)電機(jī)通過(guò)兩排均布的10.9級(jí)M36螺栓與機(jī)艙底盤連接，內(nèi)外兩圈的螺栓數(shù)均為60個(gè)，其中內(nèi)圈螺紋孔的分布直徑為1700mm，外圈螺紋孔的分布直徑1900mm。由于連接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相應(yīng)的單元，因此該幾何模型只需確定螺栓孔位置與大小即可。

由于本次分析主要是分析連接螺栓的強(qiáng)度，因此本次分析中的底盤與發(fā)電機(jī)的幾何模型在原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將小的孔類、圓角及小凸臺(tái)等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)略去，這樣可以在保證計(jì)算精度的前提下，降低網(wǎng)格劃分難度，縮短計(jì)算時(shí)間。

3.2 材料特性

在有限元分析計(jì)算中，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析所需的材料特性主要是材料的彈性模量和泊松比。文章的底盤和發(fā)電機(jī)均為鑄件，其材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，該材料的彈性模量為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓的材質(zhì)一般為低碳合金鋼或中碳鋼，屈服強(qiáng)度為940MPa，而所用的螺栓墊圈的材料為Q345E，它們的彈性模量均為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型過(guò)程中最復(fù)雜最關(guān)鍵的一部分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞以及所選擇的的單元類型直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度[4]。底盤與發(fā)電機(jī)部分是將Solidworks建立的三維模型直接導(dǎo)入ANSYS中，然后分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到所需單元。由于底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)的單元類型采用SOLID187四面體單元，而發(fā)電機(jī)是規(guī)則的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故單元類型采用SOLID185六面體單元，采用這種網(wǎng)格劃分形式，可以在保證計(jì)算精度的前提下加快計(jì)算速度。螺栓部分則直接在ANSYS中采用BEAM188梁?jiǎn)卧⑾鄳?yīng)的單元模型，BEAM188梁?jiǎn)卧慕孛娲笮“碝36螺栓的應(yīng)力截面面積進(jìn)行設(shè)定。完成網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2所示。

3.3.2 載荷及邊界條件的施加

底盤與發(fā)電機(jī)的連接螺栓承受的載荷主要是輪轂中心處的極限工況載荷和發(fā)電機(jī)的重力。在輪轂中心處建立節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)端面節(jié)點(diǎn)做MPC綁定接觸，在該節(jié)點(diǎn)處施加由風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算軟件Bladed軟件計(jì)算得到的16組極限工況載荷，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系采用GL規(guī)范中規(guī)定的輪轂坐標(biāo)系[5]，坐標(biāo)系方向如圖3所示。在發(fā)電機(jī)重心位置建立節(jié)點(diǎn)，同理，該節(jié)點(diǎn)與發(fā)電機(jī)部分內(nèi)表面做綁定接觸，并在該節(jié)點(diǎn)處施加發(fā)電機(jī)重力。分析中發(fā)電機(jī)與機(jī)艙底盤的接觸面之間定義摩擦接觸關(guān)系，摩察系數(shù)大小取0.2，在主機(jī)架下端節(jié)點(diǎn)上施加全約束，即約束該面上所有節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向上位移和旋轉(zhuǎn)自由度。

3.4 求解計(jì)算與結(jié)果分析

由于該結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型涉及到接觸非線性問題，并且連接螺栓在受載荷力之前需施加螺栓預(yù)緊力，因此，求解過(guò)程采用多載荷步的方式進(jìn)行計(jì)算，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步施加螺栓所受的極限工況載荷。

運(yùn)用ANSYS軟件分別計(jì)算比較輪轂中心處的16組極限工況載荷下螺栓的應(yīng)力大小，可以得到My-min工況下螺栓組的應(yīng)力最大。My-min工況下輪轂的極限載荷為：Mx=-3.51kN·m，My=-4457.1kN·m，Mz=-2192.2kN·m，F(xiàn)x=-110.6kN，F(xiàn)y=90.5kN，F(xiàn)x=-778.7kN。在該工況下，螺栓組整體應(yīng)力結(jié)果和最危險(xiǎn)螺栓應(yīng)力結(jié)果分別如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，螺栓組的最大應(yīng)力為746 MPa。10.9級(jí)的螺栓的屈服應(yīng)力為940 MPa，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)規(guī)范，螺栓的安全系數(shù)為1.1，則螺栓的許用應(yīng)力為854.5 MPa，因此，該組連接螺栓在極限工況下能夠滿足靜強(qiáng)度要求。

底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓，除了滿足強(qiáng)度要求外，還需要考慮它們接觸面之間在預(yù)緊力和極限載荷作用下，圓周方向是否會(huì)發(fā)生滑移，應(yīng)避免使螺栓承受剪切力。通過(guò)ANSYS的計(jì)算分析，可以得到接觸面之間的接觸狀態(tài)，圖5為在My-min工況下發(fā)電機(jī)與底盤的接觸狀態(tài)分布圖，從圖中狀態(tài)分布可知，接觸狀態(tài)較好，接觸面之間沒有發(fā)生滑移。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述有限元的分析計(jì)算，可以看出該MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙底盤與發(fā)電機(jī)之間的連接螺栓的極限強(qiáng)度滿足各工況載荷的要求，同時(shí)它們的接觸面之間也不會(huì)發(fā)生使螺栓承受剪切力的滑移。通過(guò)上述分析過(guò)程，可以看出與傳統(tǒng)工程計(jì)算方法相比，采用有限元法分析受力復(fù)雜螺栓組的極限強(qiáng)度，能夠縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，螺栓的強(qiáng)度分析除了要進(jìn)行極限強(qiáng)度分析外，還需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的分析。需要根據(jù)螺栓所受的載荷時(shí)間歷程和螺栓的S-N曲線等內(nèi)容來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，最終確定螺栓是否能夠滿足疲勞強(qiáng)度的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉偉，高偉成，于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010（7）.

[2]姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009（6）.

[3]王健.變載荷工況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接部件接觸強(qiáng)度分析研究[D].新疆：新疆大學(xué)，2010（6）.

[4]任重.ANSYS實(shí)用分析教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z]. 2010.

[6]何玉林，雷增宏，石秉楠.MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂連接螺栓接觸強(qiáng)度分析[J].現(xiàn)代制造工程，2011（04）：110-114.

[7]李軍，楊潔明，高俊云.大型風(fēng)力機(jī)組塔架螺栓連接應(yīng)力分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011（07）：30-33.

作者簡(jiǎn)介：張曉琳（1987-），女，山東青島，工程師，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的研究。endprint