基于非线性接触分析的风电机组主轴结构分析技术分析

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论域中应用最广泛的一种数值计算方法，其核心思想是利用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作插值计算求解各种力学、物理问题。长期以来，应有有限元法对主轴进行结构分析的重点和难点在于如何合理的建立主轴有限元模型，并有效的模拟主轴的复杂工况（工作环境和载荷）。近年来，国外风电企业专注于风力发电机核心技术的研究，对风力发电机组主轴的结构系统分析越来越注重细节分析，分析层面更加深入。对主轴系统化的细节分析也更多集中于主轴所联接的轴承等零件上，轴承的复杂特性对主轴的支承和运行的稳定性有着重要的影响。例如，MatthewB.Turi和Ch

2、ristopherS.Marks在分析中首次考虑了工作温度对轴承寿命的影响，应用理论方法对一级和多级驱[5]动的风机主轴轴承进行了寿命分析，为风机主轴轴承的设计和选择提供了依据；SouichYAGI等人在多年研究的基础上，对主轴轴承未来的发展趋势进行了预测，根据德国劳埃德(GL)认证规范（简称GL规范）和有限元理论，对轴承和轴承座进[6]行有限元强度分析，为轴承和轴承座的设计提供了参考；Paolone等人建立了数值仿真分析模型用以分析计算风力发电机组主轴轴承的阻抗特性，为建立风电机[7-9]组避雷保护系统提供了数据支持。对于主轴结构和相关零部件的整体分析

3、，国外更注重建立整个传动链以及整机的虚拟仿真模型，采用梁单元对主轴进行模拟，[10]运用特殊单元模拟轴承、齿轮和螺栓等，然后对其整体性能进行计算。随着我国风电产业的飞速发展，各大企业、高校和研究机构对风力发电机组关键零部件的研究分析也日益深入。例如：新疆农业大学的胡成明、崔新维等人应用有限元方法对风电机组主轴系统的热特性、应力分布进行了分析，并对两点[11]支撑、三点支撑和轮毂内轴系、双轴系等多种结构形式进行了对比研究。河南科技大学的周晴、夏新涛等人以风机主轴轴承的额定动载荷为目标函数，用MATLAB软件对主参数进行优化设计，并根据优化结果对轴承内、外圈

4、和保持架[12]等进行结构设计，使其结构设计合理。吕杏梅、王磊等人应用非线性接触单元模拟主轴轴承的传力方式，结合线性累积损伤理论校核了风电机组主轴的疲劳强[13]度。王庆等人用“盲孔法”对1.5MW风机主轴轴承架铸态、粗加工态和失效处理[14]前后的残余应力进行了测量和研究。清华大学的裴大明等基于有限元法建立了主轴系统的有限元模型，分析了主轴系统的静强度，并讨论了该主轴轴承跨距的[15]优化问题，为主轴轴承的优化提供了指导。谢鹏飞等人利用ADAMS系统对双半内圈角接触球轴承进行了动态性能分析，为提高轴承动力学分析精度提供了一[16]定的参考价值。总体而言

5、，国内对风力发电机主轴的专门研究分析仍然比较少，对主轴的结构分析技术的研究和应用主要集中在参数化建模、强度校核阶段，对主轴进行了过多的简化，常常忽略对细节结构的具体分析。此外，在对主轴进行结构分析时，2重庆大学硕士学位论文1绪论多数拘泥于传统的有限元分析法，对新的理论和方法探索不够。例如，主轴静强度分析多采用线性分析方法，对非线性接触问题研究不多；对于主轴疲劳寿命的分析，通常采用名义应力法等传统方法，计算结果趋向保守；和主轴联接的相关零部件（如轴承、胀紧套、法兰等）对主轴的结构强度都有一定的影响，对此国内现有的研究还不够深入。1.3论文的研究意义与主要内

6、容1.3.1论文的研究意义相较国外而言，我国风电技术水平差距较大，风机主轴等关键零部件的系统设计、轴承疲劳分析，传动链整机分析等一系列先进设计方法还没能掌握。这些都直接制约和影响了我国风电技术的发展。自主研究大型风电机组主轴结构系统分析设计方法和理论，是我国风电技术发展过程中亟待解决的问题。风电技术要实现结构部件的自主创新，综合应用计算机仿真技术和工程计算相结合的方式，研究适合风力发电机组主要零部件的分析方法显得非常必要。本论文基于上述观点，研究讨论了不同有限元建模方案对结构分析结果的影响，提出应用非线性接触分析方法进行主轴结构分析。这对我国兆瓦级风力发

7、电机组关键部件的设计分析具有指导作用。1.3.2论文的研究内容论文以某大型MW级水平轴风力发电机组主轴为例进行结构分析，采用有限元方法分析计算，运用非线性接触分析理论对主轴进行了静强度分析、多轴疲劳寿命分析及模态分析。论文的主要内容如下所述：①主轴非线性接触强度分析建模的研究，包括主轴的几何模型和主轴静强度分析有限元模型。分别采用变形体单元和gap单元模拟主轴轴承滚子，并通对比分析两种计算结果，得到了较优方案。②主轴的多轴疲劳寿命分析。根据Palmgren-Miner线性累计损伤理论，建立了疲劳分析有限元模型，分别运用多轴疲劳理论中基于最大主应力的疲劳破

8、坏准则和临界平面法，计算主轴在疲劳载荷作用下的累积疲劳损伤值，校核主轴的疲劳寿命