機艙彎頭連接螺栓強度分析方法

黃文杰

摘 要：本文描述了風力發電機組機艙彎頭連接螺栓強度計算的有限元分析方法，主要內容包括有限元計算模型的簡化處理思路、螺栓的建模方法、極限強度計算、疲勞強度計算以及后處理方法等。通過使用beam188單元進行螺栓的模擬，同時用link8以及beam4單元模擬螺栓的嚙合關系，并選取多組不同角度受力狀態下的載荷工況進行分析，校核螺栓的極限強度、疲勞強度以及有效嚙合長度，從而分析出螺栓的安全性，為實際工程中的螺栓連接提供了一種更為精確可靠的計算方法。

關鍵詞：有限元；螺栓連接；極限強度；疲勞強度

1 概述

對于半直驅式風力發電機組，其發電機外殼與機艙彎頭一般是通過高強度螺栓進行周向連接的，機組正常運行時或處于停機狀態時，在不同的風速作用下，連接螺栓每時每刻的受力情況幾乎是不一樣的，極端情況下，還需要考慮50年一遇的極大風速及臺風模式下的受力情況。因此，為了保證機組在運行期間的安全性和可靠性，我們需要對連接螺栓進行極限強度、疲勞強度以及嚙合長度進行分析，本文主要采用有限元的方法對螺栓強度進行校核。

2 模型描述

由于只分析連接螺栓的強度，所以對剛度影響不大的一些特征進行簡化，如發電機外殼及彎頭的螺栓孔、倒角、小凸臺及穿線孔等。然后對簡化后的幾何模型進行網格劃分，由于分析目標是連接螺栓，所以發電機外殼及彎頭均在Workbench中采用低階單元劃分網格。為了便于嚙合部分單元組的建立，從實體模型上切出嚙合部分，在ANSYS 經典中建模，連接螺栓使用beam188單元模擬，同時用link8以及beam4單元模擬螺栓的嚙合關系。

3 邊界條件及載荷

3.1 邊界條件

約束彎頭底部端面節點所有自由度，在輪轂中心建立一個加載點，并與發電機外殼前端面建立MPC接觸，用于傳遞載荷，加載點節點坐標系轉到GL輪轂中心固定坐標系。

3.2 極限工況

由于彎頭的非對稱性，導致不同位置螺栓受彎頭剛度影響不同，為考慮這一特性，在發電機外殼與彎頭接合面上每15度選取一個合彎矩最大的工況，在相鄰兩個載荷中選取較大一個作為分析載荷，共選取12個載荷工況，這樣能充分考慮連接件剛度不對稱對螺栓的影響。極限強度計算加載分為兩步進行：

1）對所有螺栓施加目標預緊力；

2）輪轂中心施加上述12個工況載荷，并基于施加目標預緊力后的計算結果上重啟動。

3.3 疲勞工況

螺栓疲勞分析，通過求得疲勞時序中發電機外殼與彎頭連接端面處的合彎矩最大值，選取該最大值作為疲勞分析施加的單位載荷。同極限分析一樣，為考慮連接件剛度不對稱對螺栓受力的影響，在螺栓分布圓平面內，每隔30°分別施加疲勞載荷進行分析，共12個工況，每個工況設定若干子步進行計算，便于得到螺栓在不同位置、不同載荷下的應力影響矩陣，用于螺栓疲勞損傷計算。疲勞工況加載同樣分為兩步進行：

1）對所有螺栓施加最小預緊力；

2）在輪轂中心每30°施加彎矩，單位載荷分量根據施加載荷大小，分為多個子步進行，在基于施加最小預緊力的計算結果上重啟動計算。

4強度分析

4.1靜強度分析

螺栓通過beam188建模，選取如圖1所示兩個位置A、B點作為螺栓應力提取點。

由于有限元螺栓建模橫截面尺寸的選取，導致提取的螺栓應力為有限元建模螺桿處的應力，要得到螺紋處應力，需要進行修正[1]。修正系數計算公式如下所示。

4.2疲勞分析

按照第四節所述疲勞載荷以及加載方式，得到不同螺栓在不同載荷方向、不同載荷大小下對應的應力情況，與疲勞時序載荷線性組合，得到螺栓應力時序，通過雨流計數以及S-N曲線進而得到螺栓疲勞損傷。具體方法如下：

1）從有限元分析結果中，得到每個螺栓應力提取點A、B兩個位置在不同載荷方向（12個工況）、不同載荷大小（每個載荷子步）下的軸向應力 和彎曲應力 、 ；

2）對于每個螺栓的每個應力提取點建立非線性應力影響矩陣，影響矩陣的組成為12個載荷方向下每個載荷子步對應的軸向應力以及兩個彎曲應力；

3）將2）中得到的應力影響矩陣中的軸向應力以及彎曲應力按照4.1中介紹的 、 進行修正，得到螺紋或螺桿處的應力影響矩陣；

4）將修正后的應力影響矩陣與時序載荷在方向與大小兩方面進行插值計算，得到應力時序；

5）由于螺栓受到彎矩作用，所以螺桿表面周向每個位置應力大小不同，為找出損傷最大點，沿螺栓周向每隔30°選取一個點，共12個點。根據時序應力中的軸向應力 和彎曲應力 、 計算得到螺栓表面各點的應力時序；

6）對5）中得到的每個點的應力時序進行雨流計數；

7）根據S-N曲線[2]以及雨流結果進行螺栓疲勞計算，得到螺栓線性累積損傷。

4.3 嚙合長度分析

螺栓除了需校核本身極限和疲勞強度外，為防止螺栓連接發生脫扣失效，還需研究螺栓螺紋與螺紋孔的嚙合長度。根據VDI2230介紹，螺栓所需嚙合長度可以根據連接材料的剪切強度來確定。螺紋孔連接中，如果嚙合長度過小，在螺栓未破壞之前，將在螺栓嚙合處發生螺紋剝離，造成連接失效。螺栓連接嚙合長度的選擇，需先確定連接件的剪切強度，然后根據材料剪切強度曲線，得出所需的嚙合長度與螺栓公稱直徑的比值，從而確定嚙合長度。

5 結語

通過對機艙彎頭連接螺栓的有限元分析，能比較準確地分析出螺栓在不同受力狀態下的應力分布情況，從而判斷螺栓的極限強度、疲勞強度以及有效嚙合長度是否滿足設計要求，為機組的可靠運行提供有力保障。

參考文獻

[1] VDI 2230 Part 1，Systematic calculation of High Duty Bolted Joins，Joins with One Cylindrical Bolt，Verein Deutscher Ingenieure，Düsseldorf，Germany，February 2003.

[2] EN 1993-1-9 Eurocode 3：Design of steel structures - Part 1-9：Fatigue European Committee for Standardization，Brussels May 2005.

（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）