基于ABAQUS的风力机塔筒螺栓连接接触非线性分析

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1、第11卷第28期2011年10月科学技术与工程V0l_llNo．280ct．2011l671—1815(2011)28·6842—04ScienceTechnologyandEngineering⑥2011Sci．Tech．Engrg．机电技术基于ABAQUS的风力机塔筒螺栓连接接触非线性分析严晓林刘希凤(北京万源工业有限公司风电研发中心，稀土电机研发中心，北京100076)摘要ABAQUS是先进的大型通用非线性有限元分析软件，求解非线性问题时具有非常明显的优势。采用ABAQUS软件对风力机塔筒高强度螺栓连

2、接进行了接触非线性分析，模拟了螺检连接在预拉力以及加载极限载荷后两种工况下的静力学性能，得到了螺栓与法兰等结构的等效应力云图与位移云图。计算结果表明：塔筒螺栓连接结构的应力主要受预紧力影响。加载极限载荷后，螺栓最大应力增大17％，最大位移增大约两倍。结果证明塔筒底部螺栓连接的强度与刚度满足设计要求，为风力机组的结构设计提供了理论依据。关键词ABAQUS螺栓连接非线性分析预紧力应力中图法分类号TM315；文献标志码A近年来，我国风力发电行业尤其是大容量兆瓦级大型风力机组得到快速发展。风力发电机组高1塔筒螺栓连

3、接几何模型及简化强度螺栓连接由于其长期服役环境恶劣，工况载荷复杂多变，螺栓的强度会直接影响整个风力机组运分析对象为塔基与风力机下段塔筒法兰螺栓行的安全和可靠。为了提高风力机运行的安全性，连接，沿法兰环向均布128个10．9级M42高强螺需要对各关键部位高强度螺栓连接进行精确合理栓，整个连接结构包括塔基端法兰、下段塔筒法兰、的结构设计和强度计算。本文以某1．5MW风力螺栓、螺母和垫圈等，如图1所示。模型中两端塔筒机组塔筒底端螺栓连接为研究对象，为获得连接结的高度大于2．5(D为塔简直径，t为厚度)。构设计载荷

4、下的应力状况与法兰连接面的连接效果，采用大型非线性有限元计算软件ABAQUS对连接结构进行了接触非线性分析。非线性结构问题是指结构的刚度随其变形而改变的问题，在结构力学模拟中有三种非线性来源：材料非线性、接触(边界)非线性和几何非线性。文中是模拟边界条件在分析过程中发生变化的接触非线性问题，具有极度的不连续性，当在模拟中发生接触时，结构中的响应瞬时发生很大的变化。图1塔筒螺栓连接结构示意图2011年6月28日收到第一作者简介：严晓林(1968一)，北京人，高级工程师，研究方向：为了方便六面体网格划分，提高网

5、格单元质结构设计与分析。量，降低计算成本，有限元模型进行了以下简化处28期严晓林，等：基于ABAQUS的风力机塔筒螺栓连接接触非线性分析6843理：省略了螺纹细节；略去了模型中较小的次要的2．1．2材料性能结构特征，包括将结构中的圆角、倒角、法兰安装孔计算采用理想弹塑性材料模型，材料弹塑性的上的凹槽和地基环上的小孔等，简化几何模型如图发展和单元刚度由Von—Mises屈服准则及相关流动2。假设模型中所有部件都无缺陷，质量均匀分布，法则确定，采用等向强化理论_5]。各结构的材料属当量极限载荷均匀地加载到塔筒上

6、截面处。性参数设置见表1。其中，螺栓、螺母、垫圈用材料为42CrMo，法兰材料为Q345E。表1材料属性设置【2．1．3相互关系设置与螺栓预紧力施加图2塔筒螺栓连接简化几何模型模型中接触区域包括有螺帽与垫圈接触面、垫圈与塔基法兰接触面、塔基法兰与塔筒法兰接触2塔筒螺栓连接有限元分析面、塔筒法兰与垫圈接触面、垫圈与螺母接触面、螺栓与螺母连接面。对于接触面问的相互关系主要2．1塔筒螺栓连接有限元模型包括两种：束缚约束(Tie)和接触对(Contactpair)。2．1．1单元选取与网格划分两法兰面间关系设置为接

7、触对接触，法向属性采用计算单元采用ABAQUS单元库中的三维8节“硬”接触(Hard)，切向属性采用粗糙摩擦接触点减缩积分单元C3D8R，该单元具有较好的接触模(Rough)，其它接触面问关系均设置为面面粘结。拟能力且计算成本较低，网格合理细划可以克服沙采用预紧单元法，对各螺栓施加预紧力载荷，漏，得到较理想的计算结果，4J。模型网格划分全在法兰连接面处螺柱上创建截面单元，在截面上施部采用六面体单元，对螺栓、螺母周向划分16个单加法向作用的螺栓载荷，所加预紧力计算方元，螺栓根部以及拧上螺母处螺柱面网格细划，垫

8、法为：圈厚度方向划分3个单元，法兰螺栓孔周向划分16=0．7A加．2(1)个单元，塔筒厚度方向划分3个单元，整个结构共计式(1)中：A为螺纹公称应力截面积，mm；加．。为螺476416个单元，659713个节点，如图3。栓材料屈服强度，MPa。根据国外螺栓连接副松弛蠕变实验，螺母紧固后24h螺栓轴力减少6％一9％IS]，为补偿预拉力损失，文中施加预紧力增大7％，故Fp=0．7×1120×930780kN。在第一个