基于某風電機組運輸工裝螺栓有限元建模方法的對比分析

邵振威，李有亮，趙春雨

（明陽智慧能源集團股份公司，廣東中山528437）

0 引言

螺栓連接是工程結構中較為普遍的一種連接方式，其具有結構簡單、連接可靠、使用方便的特點。在風電裝備制造零部件中，為了便于較快組裝、拆卸、運輸，風電主機運輸工裝結構多采用螺栓連接。在風電機組大部件運輸過程中，由于受到路面及海面工況的影響，運輸工裝受力較為復雜，特別是海上運輸時，極端天氣較為惡劣，運輸工裝承載較大的載荷，因此螺栓連接的可靠性至關重要。

當前，對于復雜工況下螺栓的分析多借助于有限元分析方法，但有限元的精度與采用的模型密切相關，模型主要包括二維軸對稱模型[1]、三維軸對稱模型[2]、三維精確螺紋模型[3]及梁單元模型[4]。二維、三維模型能夠較好地考慮到螺紋的受力情況，但在處理螺栓數量規模較大、螺栓種類不同時，建模效率較低，計算成本太高，因此找到一種滿足計算精度要求、建模便捷及計算成本較低的螺栓有限元分析方法具有十分重要的意義。

本文采用ANSYS有限元軟件建立螺栓的三維對稱簡化模型、無螺紋實體模型、梁單元節點耦合模型、梁單元模型，分別獲得螺栓上的對應位置處的軸向應力，并對提取的軸向應力進行比較，分析以上幾種模型方法的差別。

1 螺栓有限元模型

圖1為某風電機組運輸工裝，為方便對比研究，取工裝的部分簡化模型，如圖2所示。其中，采用的螺栓規格為M36×4，螺栓各部分尺寸均參照ISO公制系列六角螺栓和六角螺母的規定值，采用ISO配套墊片。

采用的有限元模型中，三維對稱簡化模型及無螺紋實體模型均采用Solid185低階六面體單元，如圖3（a）、圖3（b）所示；梁單元節點耦合模型采用Beam188 單元，螺栓兩端與螺帽內環面進行MPC綁定，約束端點與螺母內環面節點的各個自由度，其中Beam188梁單元橫截面直徑為36 mm，如圖3（c）所示；梁單元模型采用Beam188、Beam4單元，組合模式見圖3（d）所示，其中Beam188梁單元橫截面直徑為36 mm，Beam4橫截面直徑均為18 mm。

圖1 風電機組運輸工裝整體三維模型

圖2 部分簡化模型

圖3 有限元模型

表1 螺栓尺寸參數及預緊力加載值

2 加載及約束

有限元分析中常用的預緊方式有預緊截面法、溫度載荷法[5]和過盈配合法，本文采用預緊截面法加載。表1為螺栓尺寸參數及預緊力加載值，其中預緊時擰緊系數參考VDI2230[6]確定，采用目標預緊值進行加載。

模型中板材間建立標準接觸，摩擦因數設置為0.38，螺紋端螺帽與螺栓間建立標準接觸，摩擦因數設置為0.2，墊片與板材間建立綁定接觸。模型上端面施加面載荷Py=-145 MPa，Pz=5 MPa。模型底端面全約束，如圖4所示。

3 結果分析

根據材料力學[7]知：

圖4 模型加載約束示意圖

圖5 螺栓應力提取位置

對以上4種模型分別提取各值，結果如表2～表5所示。

表2 三維對稱簡化螺紋模型應力結果

表3 無螺紋實體模型應力結果

表4 梁單元節點耦合模型應力結果

表5 梁單元模型應力結果

綜合對比各個模型中螺栓軸向等效應力值發現，4種模型得出的螺栓對應位置處的軸向等效應力值接近。其中，梁單元節點耦合模型所得到的值比其他模型值較大，這是由于Beam梁端點與螺帽內接觸面節點耦合自由度造成剛度較大引起的，與實際螺栓與螺帽間嚙合有一定的偏差，但從本文模型的數據來看，最大偏差為3.6%，若出于保守考慮，可以采用梁單元節點耦合模型替代螺栓實體模型進行螺栓的初步校核。

采用梁單元模型與三維對稱簡化螺紋模型值較為接近，從本文的數值來看，兩者最大偏差為3.24%，在合理的誤差范圍內。由于梁單元模型能夠模擬螺紋的嚙合情況，因此推薦采用此種方法進行螺栓數量較多的校核分析。

采用以上4種模型方法得到的數值是一致的，說明模型的準確性。但從實際建模速度及計算效率而言，采用梁單元節點耦合方法和梁單元建模方法簡單，計算效率更高，尤其在進行較多數量的螺栓校核時優勢更為明顯。

4 結論

針對某一工裝中多個螺栓有限元分析，建立了三維對稱簡化螺紋模型、無螺紋螺栓實體、梁單元節點耦合、梁單元等4種模型，分別對螺桿相應位置進行了應力分析，得到了軸向的等效應力值。對4種模型值進行了分析對比，得出了以下結論：1）4種模型得到的螺栓等效應力值較為接近，并且趨勢一致，證明了各個模型建立的準確性；2）采用梁單元節點耦合方法得到的值較其他3種方法較大，這是由于Beam梁端點與螺帽內接觸面節點耦合自由度造成剛度較大引起的，但出于保守考慮，可以采用此種方法替代實體模型進行螺栓的初步校核；3）梁單元模型與三維對稱簡化螺紋模型值更為接近，并且由于梁單元模型能夠模擬螺紋的嚙合情況，推薦優先使用該方法。