经典案例
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基于ANSYS的风机轮毂的有限元分析

发布于:2019-09-08 21:47
有限元分析

      风能是可再生能源中发展最快的清洁能源,也是最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源。积极发展可再生能源,对增加能源供应,调整能源结构,缓解环境污染,保障能源安全,促进经济发展,建设和谐社会都起到重要的作用。
      轮毂是将叶片和叶片组固定到转动轴上的装置,轮毂和叶片组之间通过变桨轴承连接,和主传动轴之间通过法兰连接。它将风轮的力和力矩传递到主传动机构,是风能与动能之间的能量转化系统。风机叶片旋转时会产生气动载荷,同时其惯性力、离心力和重力都会通过叶片根部传递至轮毂,加之其自身的重力和结构复杂性,在各种静载荷和交变载荷的作用下,轮毂与叶片,与法兰的连接处很容易引起应力集中和疲劳破坏。另外,轮毂连接风机主轴,其重量产生的弯矩通过主轴作用于塔筒,对塔筒的强度和寿命有很重要的影响。因此轮毂作为风电机组的重要组成部件,研究的问题在于如何改善轮毂的结构设计、减轻轮毂的重量对以提高风电机组的整体性能。而难点在于既要通过优化设计减轻了轮毂自重,而且要满足轮毂材料的强度极限和寿命要求。   
      考虑到轮毂重载荷对整机强度和寿命所带来的负面影响,前人做过采用变截面设计来减轻轮毂重量的优化设计,即通过减少轮毂壁厚的方法达到减轻重量的目的。但该方案没有进行疲劳寿命分析,并且变截面设计会增加轮毂的加工难度,因此不宜实施。   
      本文针对前人方案没有疲劳寿命分析和其加工困难的问题,以减轻轮毂自重为目标,对风机轮毂不仅进行了静强度有限元分析,也进行了疲劳寿命分析,通过对比分析多个计算结果得到最佳优化方案,优化方案在满足强度和疲劳寿命要求的前提下,不仅减轻轮毂的自重,而且其最大应力值比未优化之前有所降低。从而提高了主轴、塔筒以及风电机组整体结构的强度性能,同时钻孔设计简单易实施,因而更具有实际生产的可行性。
      在对轮毂优化之前,首先要保证其己经满足强度要求并且有比较大的优化空间,故需对其强度校核。而轮毂是大型钢结构实体,体积重量大,结构和载荷工况复杂,无法采用简单的工程算法对其应力应变进行精确的计算校核。有限元方法作为一种数值计算方法,不仅能够大幅度提高计算精度,而且降低设计与制造成本、节省时间,被广泛应用在航空、机械等多个工程领域。


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