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风力发电机组内铸件的有限元分析

发布于:2019-07-18 18:52
有限元分析

      随着风电行业的发展,风力发电机组的功率等级在不断加大,目前国内市场上已经出现了2.5,3和5MW等大型风机。随着风机功率等级加大,风机内部的一些焊接零部件已经被铸件所替代。风力发电机组内部关键的铸造零件,包括轴承座、轮毂和机舱底座等。这些铸造关键零部件的强度,直接关系到整个风力发电机组的质量安全和使用寿命,所以要在设计过程中对它们进行有限元分析计算。风力发电机组内部铸件的分析计算,主要包括极限强度和疲劳寿命计算。
      铸件的极限强度计算采用有限元法进行。以轮毂为例先容铸件的极限强度计算。文中使用的三维App为Pro/E5.0,在建模前需要对轮毂的外部接口零部件和受力有一个总体的认识。与轮毂连接的主要零部件是变浆轴承、变浆驱动、叶片、楔形盘和主轴。在建立几何模型的过程中,需对强度影响很小的特征,如小的倒角、凸台等进行简化。建立的几何模型如图所示。将几何模型转化为STP或其他中间格式的文件后,导入专业的有限元前处理AppHyperWorks,对模型进行网格划分,以建立分析所需的有限元模型
      为了便于载荷的施加,建立了叶片的假体,根据圣维南原理,叶片假体的长度保留大于叶根直径的一倍,并且分别建立了主轴的假体和变桨轴承的假体。楔形盘位于叶片假体和变桨轴承之间,予以简化,不建立假体。简化掉叶片假体与变桨轴承假体、变桨轴承假体与轮毂、轮毂与主轴假体之间的螺栓连接,在有限元模型中通过设置Tie联结来藕合各部件。为了建立约束边界条件,在主轴后端面建立一个柱坐标系,柱坐标系的方向与GL规范中的轮毂坐标系x轴重合。在该柱坐标系下,约束主轴轴承段的径向和轴向自由度,约束主轴尾端面的周向自由度。施加载荷和约束后的模型如图所示。然后将有限元模型使用Abaqus进行计算,并使用其后处理模块查看分析结果。
      根据GL规范要求对计算的结果进行评估。对于机架的静强度分析,根据GL规范5.3.2.1节,取安全系数为1.1。当安全裕度大于0时,机架将处于安全状态。将叶片根部坐标系下48个极限工况计算得到的轮毂极限的应力值代入安全裕度公式,当其数值均大于0时表明其极限强度满足要求。在某极限载荷工况下轮毂上的应力和位移云图。对轴承座、机舱底座等铸件的极限强度采用同样的方法,但需要注意的是模型的建立、边界条件的设定要和实际情况一致。轴承座和机舱底座根据GL规范,要选择静止轮毂坐标系下的16个极限载荷工况进行极限强度校核计算。
      CAE疲劳分析的基本原理是:根据有限元分析中所获得的应力应变结果,结合材料的疲劳寿命性能,应用疲劳理论,计算出零部件的疲劳寿命。所以对铸件疲劳寿命的计算分为两个部分,即单位载荷下铸件的有限元应力分析计算和根据铸件所承受载荷的疲劳载荷谱和单位载荷下应力值进行疲劳损伤值的雨流统计计算。对铸件单位载荷下应力分析计算和铸件极限强度分析计算不同的是:(1)在铸件的表面铺设一层很薄的壳单元,以便于表面应力结果值的提取;(2)将对应坐标系下的极限载荷改为单位载荷。

 

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