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风力机轮毂的强度分析方法

发布于:2016-06-22 17:18
强度分析

      轮毂是叶片和主轴的连接部分,承受着叶片的重力和各种工况下的气动载荷以及转矩、轴向力、偏航力矩和俯仰力矩,其结构强度对风力发电机组的可靠性起着重要作用,因此有必要对其静结构强度分析进行更深入的研究。
      本研究基于有限单元法,使用有限元AppANSYS,构建了轮毂的有限元计算模型,进行了多种工况的轮毂结构强度分析,并且根据分析结果验证了轮毂结构设计的可靠性。
      叶素理论和动量理论的综合使用是致动圆盘理论的扩展应用,既考虑了叶尖损失、叶栅效应、失速修正、间隙修正及偏航角等因数的影响,又考虑了风剪、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数等,能较精确地计算风轮转子的气动性能,因此在风力机设计和气动计算中得到了广泛应用。
      图所示为一个叶素上的风速分量,假设该叶素在叶片上处于半径r的位置,来流风速为U,叶素旋转角速度为口,引人轴向和切向速度诱导因子a、a',通过叶素的气流轴向速度为U(1-a),在风轮旋转平面内,该叶素处气流的切向速度为2r(1+a'),轴向速度和切向速度合成相对速度V,由于风速方向的改变,将导致攻角a改变,定义叶素来流角a+3(3为桨叶安装角和截面扭角之和)。F是桨叶坐标上的叶素升力和阻力,应用片条理论,考虑叶尖和轮毂损失F,考虑风力机实际工作时的结构参数。
      依据标准IEC61400-1制定风力发电机组的载荷工况,通过载荷计算得到各工况下轮毂的极限载荷及对应的叶根处的载荷,为强度计算获得可靠的载荷数据。
      根据叶根处频域动载的傅立叶变化,计算得到频域载荷的主频比轮毂的主频低得多,而载荷计算的结果包含了动态载荷,并且轮毂材料的刚度与叶根处材料的刚度相差较大,所以在轮毂强度计算时可直接施加动载荷的极限值,而无需以动态载荷谱的形式施加,这样既可以节省分析时间,又保证了计算精度。
      因轮毂所受载荷由叶片传到轮毂上,如果直接在轮毂上施加,会影响应力结果的可靠性,故需引人叶片假体,则整个分析模型由4个体构成,3个长1m的叶片假体,1个轮毂实体。通过节点祸合、导向节点等操作,有两种加载方式:①导向节点与假体外圆面节点利用梁单元刚性连接,②利用MPC方式施加载荷。采用方式①时,连接单元为Beam188,采用方式②时,连接单元为MPC184。由文献可知,理论上多点约束连接方式比刚性连接方式计算结果更为精确,经计算分析,方式②较方式①的结果精确,故本研究中出现的计算结果均采用的MPC连接方式。


                                                                                  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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