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大型风力发电机组轮毂的强度分析

发布于:2016-05-01 13:54
强度分析

      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极限工况下,在应力集中区域的材料塑性变形或破坏,随机载荷作用下的疲劳破坏。本研究以GL规范为标准,利用有限元方法对轮毂进行强度分析计算,为风机安全运行提供技术支撑。
      图为某企业风力发电机组球形结构轮毂,由球形体和相贯三圆柱组成。轮毂采用材料QT350-22AL铸造而成。对其进行强度分析时采用GL规范中的叶根载荷坐标系w,如图所示。 其中:zB沿径向叶片变桨轴,xB垂直于zB,对于上风向机组而言指向塔架,YB垂直于叶片轴和主轴,右旋坐标系原点,每个叶片根部位置。
      根据圣维南原理,在保证计算精度的条件下对受载荷不关键的部位合理简化,此处轮毂建模忽略了对强度影响不敏感的螺纹孔、工艺槽等附件。
      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近似处理。
      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进行网格匹配。分网后轮毂单元数为382973个,有限元模型总单元数为522704个。根据叶根载荷坐标系在有限元模型叶根假体位置建立局部坐标系,通过MPC刚性单元藕合到叶根假体端部,模拟叶根载荷加载,载荷施加于MPC独立节点上,实现叶根载荷柔性传递到轮毂,在主轴假体端部约束6个自由度,边界条件如图所示。
      风力发电机组叶片产生的气动载荷以及由于风轮旋转和机舱对风转动引起的离心力、惯性力和重力传递到轮毂上,这些载荷和轮毂自身的重力构成了轮毂载荷。在轮毂强度分析中,对其施加叶根坐标系下的载荷,其载荷由GH BladedApp仿真得到。
      轮毂极限强度安全裕度为1.12大于1,最大应力工况发生在d1c1.6ar3工况,该工况为50年一遇的极端操作阵风工况,发生概率相当低,发生时间也相当短,而其余工况应力均不是很大。因此,轮毂极限强度满足设计要求。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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