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基于HyperMesh的风力发电机变桨连接螺栓强度计算

2022/5/20    来源:Altair    作者:严素欣  赵迪      
关键字:风力发电机  螺栓  HyperMesh  有限元  
本文依据风电行业中通行的螺栓强度计算标准,以Altair公司HyperMesh软件为平台对风力发电机组中变桨轴承与轮毂连接的高强度螺栓进行强度分析。
1 概述

       随着社会的发展,能源和环境问题的加剧,发展新能源技术是当今刻不容缓所需解决的紧迫问题。风能作为一种取之不尽,用之不竭的绿色能源,是未来的发展趋势。但由于近些年来发生多起大型风力发电机倒塔事故,其中多为螺栓强度不够所致。且高强度螺栓是联接这些主要零部件的重要元件之一,起到联接、定位和密封等作用,其使用量也是最大的。如何探究高强度螺栓预紧力与外载荷之间的关系,以及如何提高高强度螺栓联接强度,保持兆瓦级风力发电机组安全运转是首先亟待解决的难题。因此,研究高强度螺栓联接的强度特性是非常必要的。本文将结合风力机设计载荷的特点,依据德国船级社风力机认证导则GL的要求,使用HyperMesh软件,用有限元数值仿真的方法,对兆瓦级风力发电机组的变桨轴承与轮毂的连接螺栓进行计算。

2 有限元模型的建立

       将计算用三维模型几何模型是以.step格式导入HyperMesh。为了保证分析结果的准确性和正确性,在变桨连接螺栓的静强度分析中对模型进行了尽量少的简化,并且做了多个假体,所用的几何模型如图1所示。模型中包含的部件是叶片假体、1/3轮毂假体、变桨轴承。

变桨连接几何模型

图1 变桨连接几何模型

       模型中的叶片考虑圣维南原理叶片的长度为直径的2倍;在整个计算过程中,为了进行有限元计算和网格划分,对结构几何模型做了相应的简化,利用HyperMesh中Geom-quick edit模块去掉了一些小凸台、小洞和小倒角等特征。同时为了方便加载叶根极限载荷,建立1/3轮毂假体。变桨连接几何模型如图2,剖视图如图2(左),剖视放大图如图2(右)。

变桨轴承剖视图

图2 变桨轴承剖视图

       2.1 网格划分

       利用HyperMesh进行网格划分。为了保证分析结果的准确性和正确性,在变桨连接的静强度分析中对模型进行了尽量少的简化;为了加载和边界条件的施加,做了1/3轮毂假体和叶片假体;连接螺栓采用梁单元模拟;变桨轴承内外圈中滚珠采用gap单元来模拟。最终建立的变桨连接整体有限元模型如图3,变桨连接有限元模型如图4。图5为变桨轴承截面内的网格图,考虑到gap单元的非线性,此处网格质量较高,以利于计算的收敛。

变桨连接整体有限元模型

图3 变桨连接整体有限元模型

变桨连接有限元模型

图4 变桨连接有限元模型

变桨轴承截面内网格图

图5 变桨轴承截面内网格图
表1 零部件单元参数表

零部件单元参数表


       2.2 材料与属性

       变桨连接螺栓强度计算中所用的材料参数如表2。
表2 材料参数表

材料参数表


       2.3 变桨连接螺栓受力和约束图

       1/3轮毂假体与变桨轴承外圈,变桨轴承内圈与叶片之间均通过螺栓进行夹紧,在分析模型中,采用螺栓预紧力进行模拟,如图6所示。

       在变桨连接螺栓的静强度分析中,载荷主要是通过叶根载荷实现的,在叶根坐标系的原点建立控制点,然后将控制点与叶片假体端面进行刚性连接(如图7),通过刚性传递载荷,在控制点上施加载荷,具体载荷值得大小参见附录A,附录A中给出的载荷已经考虑安全系数。

螺栓预紧力施加示意图

图6 螺栓预紧力施加示意图

叶片Beam耦合

图7 叶片Beam耦合

轮毂末端与变桨轴承约束

图8 轮毂末端与变桨轴承约束

       本分析中对轮毂假体末端和轴承内圈进行约束,在轮毂假体假体的端面约束其X、Y、Z方向的平动与转动自由度,如图8(左图)所示。建立变桨轴承中心点,将变桨轴承,将内圈齿宽度的区域进行耦合,耦合到中心点。将耦合点的坐标系旋转到对应的叶根坐标系,约束其旋转位移,即约束变桨轴承在叶根坐标系下的Z向转动约束。如8图(右图)所示。

3 计算结果图

       计算得到的变桨连接变桨轴承外圈与轮毂连接最大应力图,见图9。根据变桨连接的螺栓等级为10.9级,其屈服极限为940MPa,则其许用应力为817MPa,与计算结果进行对比。

       由于不同零件间通过螺栓连接接触面来传递载荷,在叶根极限载荷的作用下,其接触面状态可能会发生改变。通过考察接触应力和接触面的距离来分析模型的接触状态。CPRESS是单位面积上的法向接触力,通过考察CPRESS的分布情况,可得到模型的接触压强。通过在后处理中显示“COPEN”,可查看察看接触面之间的距离。通过具体距离值可定量分析接触面的张口情况。当COPEN的值大于0时,表明大于零的区域处于张开状态;如果COPEN的值小于或等于0,表明两接触面处于压紧状态,即没有分离现象。通过计算得出变桨轴承外圈与轮毂连接极限工况下各接触面上的接触压强和接触面距离。查看所有工况均未出现接触面分离现象。

Mx min工况变桨轴承外圈与轮毂连接螺栓应力分布云图

图9 Mx min工况变桨轴承外圈与轮毂连接螺栓应力分布云图

4 分析与结论

       本文对变桨轴承外圈与轮毂连接的静强度进行了分析,Altair公司HyperMesh软件为变桨螺栓强度计算提供了强大的前处理建模功能,提高了计算效率,节省了计算时间。通过对变桨轴承外圈与轮毂连接的最大Mises应力进行分析,可知最大应力为685.8MPa,满足强度使用要求。
责任编辑:程玥
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