大型风力发电机组轮毂强度分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com大型风力发电机组轮毂强度分析Thestrengthanalysisofhubl—rlargewindturbines范光良，麦云飞，陈俞廷FANGuang-liang，MAlYun—fej．CHENYu．ting(上海理工大学机械工程学院，上海200090)摘要：轮毂是风力发电机组中受力情况最复杂，且可靠性要求最高的关键部件之一，其强度直接关系到风力发电机组的安全性能。本文根据GL规范，利用有限元方法对轮毂进行静强度和疲劳强度分析，并且给出了轮毂材料s—N曲线的详细拟合过程。有效解决了风机轮毂强度计算问题，为轮毂结构优化奠定基础。关键词：风力

2、发电机组；轮毂；强度；有限元；S-N曲线中图分类号：TH123，TM315文献标识码：A文章编号：1009—0134(2012)08(下)一O12O—O4Doi：10．396cl／J．issn．1009-0134．2012．8(下)．360引言风力发电机组轮毂受到叶片传递过来的周期性载荷和随机载荷的综合作用，是风机中受力情况最为复杂，且可靠性要求最高的关键部件之一拉。轮毂的强度直接关系到风力发电机组的安全性能。在寿命20年的运行过程中，轮毂的失效形式有两种类型：1)极限工况下，在应力集中区域的材料塑性变形或破坏；2)随机载荷作用下的疲劳破坏。本文以GL规范为标准，利用有限元方法

3、对轮毂强图2轮毂载荷坐标系度进行分析计算，为风机安全运行提供技术支持。2轮毂有限元建模1轮毂3D结构及载荷坐标系2．1模型处理图1为某公司风力发电机组球形结构轮毂，由根据圣维南原理，在保证计算精度的条件下对球形体和相贯三圆柱组成。轮毂采用材料QT350—受载荷不关键的部位合理简化，此处轮毂建模忽略22AL铸造而成。对其进行强度分析时采用GL规了对强度影响不敏感的螺纹孔、工艺槽等附件。范中的叶根载荷坐标系Ⅲ，如图2所示。同时，为合理定义轮毂外载荷边界条件，建立了轮毂边界部位的假体零件(变桨轴承、叶根和主轴)，实现柔性加载，使轮毂载荷施加部位不至于刚度过大，并且对变桨轴承等假体做了

4、近似处理。2．2网格划分因轮毂结构比较复杂，采用10节点四面体分网，在圆角过渡处局部网格加密。假体零件比较规则，采用六面体分网，在假体与轮毂连接部位图1轮毂3D模型进行网格匹配。分网后轮毂单元数为382973个，其中：ZB沿径向叶片变桨轴，XB垂直于ZB，有限元模型总单元数为522704个。对于上风向机组而言指向塔架，YB垂直于叶片轴2．3边界条件设置和主轴，右旋坐标系原点，每个叶片根部位置。根据叶根载荷坐标系在有限元模型叶根假体收稿日期：2012-03-12作者简介：范光良(1985一)，男，硕士研究生，研究方向为CAE技术及应用。[120]第34卷第8期2012—8(下)学

5、兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.coml訇似第i级载荷的计算疲劳循环次数；Ⅳ-_疲劳破坏循环次数，它是以应力(或应变)为自变量的函数(如典型s—N曲线)；)，，，)，厂_分别为相应的材料局部安全系数、重要失效局部安全系数和载荷安全系数。6．2轮毂疲劳分析原理轮毂疲劳寿命分析是通过有限元计算得到单位载荷下的单位应力，从而得到单位载荷与应力的对应关系，再与时间历程载荷进行各载荷分量图5轮毂最大变形云图的相关联。根据GL规范对材料S—N曲线进行修正，得到修正后的S—N曲线。最后通过雨流循环计数，载荷计算时在载荷计算软件中已考虑载荷局㈨㈣Ⅲ根据Miner

6、线性累计损伤准则计算得到零件的疲部安全系数】，，；根据规范，极限强度计算时取轮毂劳累积损伤。材料局部安全系数)，=1．1；轮毂重要局部安全6．3轮毂材料S-N曲线拟合及修正系数=1．0。S—N曲线是疲劳分析的重要输入数据，通常根则轮毂的许用应力：据材料疲劳试验得到。在缺少试验的数据情况下，：：MPa：181．8MPa根据GL规范由相关材料参数拟合，以下为轮毂1．1×1．0S—N曲线拟合计算过程：轮毂在极端工况条件下的安全裕度：1)材料名义抗拉强度=1．06xRm=1．06x320=339．2MPa”：：：1．12‘O"162m2)表面粗糙度系数轮毂极限强度安全裕度为1．12大干

7、1，最大：l一0．22(1ogRz)xlog(orb)+0．45(1ogRz)㈣应力工况发生在dlc1．6ar3工况，该工况为50年一=0．75遇的极端操作阵风工况，发生概率相当低，发生其中：轮毂表面粗糙度R。=5m；时间也相当短，而其余工况应力均不是很大。因粗糙度修正R=4Ra=20ou。此，轮毂极限强度满足设计要求。3)结构特征修正6轮毂疲劳强度计算应力集中修正系数：1。应力梯度修正系数n=51。工程实践表明，疲劳失效是风力发电机组轮毂的主要失效形式。GL规范对结构疲劳分析给出疲劳衰减系