風(fēng)力發(fā)電機(jī)組后機(jī)架結(jié)構(gòu)計(jì)算及優(yōu)化方法

華美霞 董彥省 裘園 曹夢(mèng)楠

摘? 要：為了提高風(fēng)電機(jī)組后機(jī)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以5.0MW風(fēng)機(jī)機(jī)組后機(jī)架為分析對(duì)象，利用ANSYS對(duì)后機(jī)架進(jìn)行極限應(yīng)力與整體變形仿真計(jì)算。通過(guò)建模仿真計(jì)算了解到，優(yōu)化后機(jī)架不同部位的特征，其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與變形量會(huì)有不同程度的變化。文章對(duì)后機(jī)架展開(kāi)了不同優(yōu)化方法的建模，以此來(lái)對(duì)后機(jī)架強(qiáng)度予以計(jì)算，并分析其計(jì)算結(jié)果，總結(jié)出后機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路與方案，為工程應(yīng)用提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：后機(jī)架;風(fēng)電機(jī)組;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

風(fēng)電技術(shù)裝備是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，通常風(fēng)電機(jī)組內(nèi)安裝有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、自動(dòng)控制裝置等;對(duì)兆瓦級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組的機(jī)架一般分成主機(jī)架和后機(jī)架兩部分，后機(jī)架通常主要承受發(fā)電機(jī)及其它部件的重量，由于其懸臂較長(zhǎng)，對(duì)整機(jī)強(qiáng)度尤其是塔筒強(qiáng)度有較大影響，另外發(fā)電機(jī)和其他的電氣件安裝在后機(jī)架上面，因此對(duì)后機(jī)架強(qiáng)度設(shè)計(jì)和優(yōu)化就顯得非常重要了，隨著風(fēng)電行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，從之前的2MW到現(xiàn)在的6.MW、8.MW，風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量的越來(lái)越大，風(fēng)機(jī)中各個(gè)零部件也隨之增大、增重，對(duì)機(jī)架的載荷強(qiáng)度要求越來(lái)越高，然而風(fēng)機(jī)的價(jià)錢(qián)，和風(fēng)電度電的成本，風(fēng)機(jī)的交付周期均已減半，導(dǎo)致現(xiàn)在好多企業(yè)都在實(shí)施產(chǎn)品的降本計(jì)劃，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上后機(jī)架就要要求減重，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化工藝，降低運(yùn)輸成本。本文就是以5.0MW風(fēng)機(jī)機(jī)組后機(jī)架為分析對(duì)象，分析從哪些方面減輕后機(jī)架自身重量，簡(jiǎn)化自身結(jié)構(gòu)，利用什么方法使后機(jī)架極限強(qiáng)度利用率提高到最大化。做到后機(jī)架結(jié)構(gòu)更合理，原材料使用率更高，加工工序更合理。

1 后機(jī)架結(jié)構(gòu)組成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組后機(jī)架的主體構(gòu)成如圖1所示，后機(jī)架主體主要由連接板、上翼板、下翼板、左右立板、中梁立板、十字梁立板、后梁立板等構(gòu)成。

1—連接板 2—上翼板 3—下翼板?? 4—左右立板?? 5—中梁立板

6—十字梁 立板?? 7—后梁立板

2 有限元模型

風(fēng)機(jī)總體模型

為準(zhǔn)確的分析后機(jī)架的受力狀況，須建立完成的載荷路徑，總體模型將于載荷傳遞的相關(guān)部件均考慮在內(nèi)。建立發(fā)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)組件的總體模型如圖2.1所示。

從風(fēng)機(jī)整體模型看后機(jī)架前端與主機(jī)架采用螺栓進(jìn)行連接，與發(fā)電機(jī)通過(guò)發(fā)電機(jī)彈性支撐進(jìn)行連接，后機(jī)架主要受自身的重力，與發(fā)電機(jī)的重力所產(chǎn)生的壓力，為了節(jié)省結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時(shí)間，暫時(shí)不考慮其他受力影響，這樣總體計(jì)算量較小，優(yōu)化效率高，先使用簡(jiǎn)化的計(jì)算手法對(duì)后機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，選出一個(gè)最優(yōu)的優(yōu)化方案，在對(duì)最優(yōu)的優(yōu)化方案進(jìn)行整體的仿真計(jì)算，在校核方案是否滿足要求。

2.2 后機(jī)架子模型

為了消除應(yīng)力集中，得到后機(jī)架關(guān)鍵部位更精確的解，對(duì)后機(jī)架局部的網(wǎng)格進(jìn)行二次劃分，細(xì)化了后機(jī)架焊趾附近與開(kāi)孔處的局部網(wǎng)格。

2.3 材料屬性

3 優(yōu)化方案

以5.0MW風(fēng)機(jī)機(jī)組后機(jī)架為分析對(duì)象，依次減薄后機(jī)架不同部分的板厚，利用ANSYS 對(duì)后機(jī)架進(jìn)行極限應(yīng)力與整體變形仿真計(jì)算 結(jié)果見(jiàn)表2。

方案1：針對(duì)后機(jī)架上下翼板厚度減4mm進(jìn)行仿真計(jì)算;

方案2：針對(duì)后機(jī)架左右立板厚度減4mm進(jìn)行仿真計(jì)算;

方案3：針對(duì)后機(jī)架十字梁立板厚度減厚4mm進(jìn)行仿真計(jì)算;

方案4：針對(duì)后機(jī)架中梁立板，后梁立板厚度減4mm進(jìn)行仿真計(jì)算。

綜合以上仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)上下翼板厚變薄，后機(jī)架變形量會(huì)有明顯的變化，極限應(yīng)力變化不是非常明顯;左右立板厚變薄，后機(jī)架變形量變化不是非常明顯，但是極限應(yīng)力會(huì)有明顯的變化;十字梁立板板厚變薄后機(jī)架變形量與極限應(yīng)力變化都不是非常明顯;中梁立板，后梁立板板厚變薄后機(jī)架變形量變化不是非常明顯，但是極限應(yīng)力會(huì)有明顯的變化，以此可以推測(cè)出如果想維持后機(jī)架變形量改變不大的情況下結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以從十字梁立板、中梁立板、后梁立板開(kāi)始減薄，針對(duì)應(yīng)力較大的區(qū)域可以局部增加加強(qiáng)筋，來(lái)降低應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，如果要選擇減薄上下翼板與左右立板的話，針對(duì)的后機(jī)架的變形量可以采取高度補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)彌補(bǔ)后機(jī)架安裝發(fā)電機(jī)時(shí)因?yàn)楹髾C(jī)架變形下沉導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)對(duì)中的問(wèn)題。

方案5針對(duì)后機(jī)架上下翼板、左右立板減薄2mm，十字梁立板減薄4mm，中梁立板，后梁立板減薄2mm，后梁立板發(fā)電機(jī)底部增加加強(qiáng)筋，進(jìn)行仿真計(jì)算。極限與變形滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步對(duì)后機(jī)架進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)后機(jī)架進(jìn)行11個(gè)工況進(jìn)行分析計(jì)算，后機(jī)架極限為：281mpa，疲勞為0.37，可見(jiàn)后機(jī)架疲勞強(qiáng)度與極限滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文以5.0MW風(fēng)機(jī)機(jī)組后機(jī)架為分析對(duì)象，對(duì)后機(jī)架不同部位的板厚減薄，對(duì)應(yīng)力集中位置增加加強(qiáng)筋，進(jìn)行極限與疲勞仿真后，結(jié)果表明，滿足要求。

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