MW 級風力發電機組輪轂主軸連接螺栓疲勞壽命分析

徐忠文 張曉琳 范平平 王燕

（沈陽華創風能有限公司，山東青島 266000）

MW 級風力發電機組輪轂主軸連接螺栓疲勞壽命分析

徐忠文 張曉琳 范平平 王燕

（沈陽華創風能有限公司，山東青島 266000）

建立輪轂主軸連接螺栓有限元模型并進行計算，根據計算結果繪制載荷-應力關系曲線與時間-載荷歷程通道合并完成應力譜轉化；基于GL規范計算連接螺栓S-N曲線的相關參數，利用FE-safe軟件雨流計算方法、Miner疲勞損傷累計理論、Goodman平均應力修正法，完成輪轂主軸連接螺栓疲勞損傷計算，輪轂主軸連接螺栓疲勞損傷值表明風電機組20設計壽命內不會出現疲勞破壞，滿足設計要求。

連接螺栓 應力譜 疲勞損傷

1 前言

輪轂主軸連接螺栓在承受輪轂與葉片重量的同時還承受葉輪吸收風能產生的氣動載荷、慣性載荷與沖擊載荷，受載狀況復雜，因此輪轂主軸連接螺栓的可靠性要求較高。GL規范要求結構或部件的完整性應通過極限狀態的研究來驗證，極限狀態可分，最終極限狀態、耐久性極限狀態。輪轂主軸連接螺栓交變載荷作用下疲勞壽命屬最終極限驗證，本文主要分析輪轂主軸連接螺栓在風電機組20年設計壽命內經受交變載荷后，損傷壽命是否達到設計要求。

2 風電機組輪轂主軸連接螺栓有限元模型

2.1 網格劃分

輪轂通過64根10.9級M42螺栓與主軸連接，實現了輪轂與主軸的可靠性連接。模型中螺帽與主軸假體采用SOLID185六面體單元進行網格劃分；螺栓采用應力面積1120mm2的BEAM188梁單元進行網格劃分；輪轂采用高階四面體SOLID187單元進行網格劃分。

2.2 邊界條件

為避免局部應力失真，分析過程中約束主軸假體后端節點三個方向的自由度；在輪轂中心建立節點并通過MPC多點約束梁單元與輪轂三個凸臺表面節點連接；輪轂與主軸之間定義標準接觸關系，摩察系數取0.2；連接螺栓組施加特定預緊力后于輪轂中心節點施加疲勞極限載荷。

3 連接螺栓疲勞分析

3.1 螺栓疲勞極限載荷

計算過程中根據GL規范選取輪轂中心固定坐標系，Bladed提供的載荷持續譜是不同工況空間坐標系三個分量的彎矩與力，所以在輪轂中心點施加疲勞極限載荷，運用ANSYS計算同一螺栓的應力值，并根據載荷應力關系繪制螺栓載荷應力曲線，如圖1所示。

3.2 螺栓疲勞載荷譜

Bladed提供的載荷持續譜是時間-載荷歷程，為進行疲勞壽命分析應將持續譜轉化為載荷譜。利用螺栓載荷應力曲線進行時間-載荷歷程通道合并，實現時間-載荷歷程到時間-應力歷程的轉化，轉化流程圖如圖2所示。

3.3 螺栓S-N曲線

根據GL［1］規范建立能夠反映應力幅值與疲勞壽命關系，適合計算螺栓疲勞壽命的S-N曲線。GL規定軋制后熱處理螺栓分類等級為71，公稱直徑d＞30應按照K= （30d）0.25進行螺栓等級修正；S-N曲線可分為兩段區域：

螺栓安全系數1.15，由此計算螺栓S-N曲線相關參數。

3.4 疲勞損傷準則

螺栓疲勞壽命選擇Miner準則進行線性累計損傷即：循環載荷作用下，各個應力之間相互獨立，各應力產生的疲勞損傷可線性累加，損傷累計數值達到特定值后，部件發生疲勞破壞。

3.5 疲勞損傷結果

由于螺栓平均應力不等于零，選擇相對保守的Goodman平均應力修正方法進行分析；將通道合并轉化后的螺栓疲勞載荷譜導入FE-safe軟件中，利用該軟件的雨流計數法與Miner損傷累計準則進行螺栓的疲勞壽命計算。經計算風電機組20年設計壽命中螺栓的總損傷： D20= 0.2353?1，所以輪轂主軸連接螺栓的疲勞壽命滿足設計要求。

4 結語

本文基于輪轂主軸連接螺栓的ANSYS分析結果與Bladed提供的時間-載荷歷程，利用通道合并完成了可用于螺栓疲勞分析應力譜的轉化；又根據GL規范計算了螺栓S-N曲線的相關參數；最終利用FE-safe軟件的Goodman平均應力修正法與Miner疲勞損傷累計理論完成輪轂主軸連接螺栓20年設計壽命總損傷值，所以此種方法是可靠的。這為今后風電機組連接螺栓的設計、校核提供了方法。

［1］Germanischer Lloyd Wind Energize GmbH. Guideline for the certification of wind turbine［S］.Germany，2010.