风电叶片螺栓安装预紧力研究

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1、万方数据风电叶片螺栓安装预紧力研究2016年8月吴胜军，冯威，苑斐琦，韩涛(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳双瑞风电叶片有限公司，洛阳471039)摘要：风力发电叶片叶根连接螺栓是复合材料叶片与风轮轮毂连接的唯一的也是最关键的部件，通常在安装过程中会施加螺栓预紧力，保证叶片与轮毂连接的紧密性。预紧力大小的设定对螺栓是否能够正常使用，乃至叶片能否正常运行都有重大的影响，在螺栓连接的有限元分析中准确模拟螺栓的预紧力是一项复杂而困难的工作。论述了螺栓预紧力的理论计算过程及利用有限元技术在ANSYS中模拟螺栓预紧力的方法，为

2、叶片根部连接施加预紧力提供可靠的依据和指导。关键词：预紧力；风电叶片；叶根连接方式；预紧力系数中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2016)08-0050-041引言2015年我国风电产业持续保持强劲增长的势头，全年风电新增装机容量达30．5GW，创历史新高，累计并网装机容量达145．1GW，稳居世界第一。风力发电已成为国内第三大主力电源，并已具有自主知识产权。我国风电行业在不断壮大的同时，正逐步打入国际市场。风力发电叶片是风能捕获的关键部件，是将风能转换为电能的重要组成部分。叶片通过根部螺栓连

3、接与风力机轮毂连接，采用螺栓连接是目前唯一的连接方式‘14I。在叶片安装过程中，必须紧固螺栓连接，使叶片与风力机轮毂在承受运行工况载荷之前，预先受到力的作用，这个提前施加的力称为安装预紧力。安装预紧力的目的是增加连接件间的紧密性和稳定性，以防止受工况载荷后被连接件间出现缝隙或相对滑移。国内外风电行业由于预紧力施加错误或施加流程出问题造成的轻则螺栓断裂、重则机组倒塌的案例屡见不鲜。对有螺栓连接的复杂构件可通过有限单元法得到准确的分析结果，本文采用ANSYS模拟螺栓预紧力加载，为螺栓安装预紧力的施加提供理论依据。图1螺栓连接和计

4、算模型Fig．1T—Boltconnectionandcalculationmodel在螺栓装配过程中，会产生安装预紧力“，安装预紧力又产生界面间的夹紧力R，在叶片运行期间的轴向工作载荷F。通过被连接件作用在螺栓上，并在接合面的紧固区域依据各个连接件及螺栓的弹性回能和力的作用位置按比例传递，除预紧力外螺栓上额外增加的工作载荷计为F⋯剩余的工作载荷作用在被连接件上，计为FM。作用在螺栓上的载荷及螺栓的变形可以通过图2来进行说明。在图2中，(a)为开始状态，螺栓处于自由状态；(b)为施加安装预紧力状态，螺栓被拉伸，被连接件被压缩

5、；(c)为叶片运行状态，受到工作载荷n，螺栓进一步拉伸，此时被紧固件产生的载荷F刚抵消了部分由安装预紧力产生的紧固效果。2螺栓连接计算模型【l61一一一l·风力机叶片的根部螺栓与叶片根部复合材料支一一·、撑结构可描述为一组机械弹簧模型，弹簧常数定义!一ijj”。为与实际连接件性能一致，模型见图1。其中轮毂。一蓍一i■轴承和复合材料根部作为压力弹簧，双头螺栓作为⋯。～蒜张力弹簧。图2各工作状态下螺栓连接变形图Fig．2Displacementdiagramforvariousworking。。。。。。。。。。。。。。。。‘。。

6、。。。‘。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’1。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。——statesofboltconnection收稿13期：2016—02—18作者简介：吴胜军(1979．)，男，工程师，硕士，主要从事复合材料产品结构设计工作。FRP／CM2016．No．8万方数据2016年第8期玻璃钢／复合材料51由图2可见，安装预紧力n对连接件产生的夹紧力在工作时(在凡>o时)的紧固效果会减弱。在接合面上存在的残余夹紧力F艘要求大于1，以保证被连接件的紧密性

7、，F船可由下面的关系来确定：F肼=F^f—F删=F村一(F^一F肼)(1)3预紧力载荷计算步骤及影响因素u6j3．1预紧力计算步骤安装预紧力“是风电叶片根部螺栓连接设计时螺栓名义尺寸确定的依据。步骤为先计算最小安装预紧力F心。，参见公式(2)，然后选定预紧力系数％，再依据公式(3)计算最大安装预紧力F枷。，通常考虑螺栓90％屈服点应大于等于F肼。。，，从而选择螺栓的强度等级和规格。F肼。i。=F缸一+(1一咖)F^+Fz+△Fn^(2)其中，F肼值为螺栓连接所需的最小夹紧力，例如密封功能，防止滑移等；西为工作载荷比例系数，按

8、照轴向螺栓力的比例FP^=(1_币)·F．(F^>0时)；F。+AFn。为由于螺纹嵌入和温度变化产生的损失。FM一=％XF腼。(3)其中，Ot。为预紧力系数，由预紧力施加所采用的技术和设备决定，见3．2节。3．2预紧力影响因素依据公式(2)安装预紧力主要受到以下因素影响：松弛和压陷造成的预