CN102508970A - 兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，属于风力发电技术领域。技术方案是：根据球形轮毂的对称性，取其1/3的模型进行建模，形成1/3的有限元模型，然后旋转形成整体的轮毂有限元模型；利用球形轮毂的旋转对称性来进行计算和强度校核，旋转对称性是指：在其中一个叶片加载和在另一个叶片加载形成的轮毂应力云图，两者旋转120度或者240度，是能够完全重合的。本发明的积极效果：对于轮毂的极限强度分析，可以考虑到所有的极限载荷工况，而不仅仅是局限于某一个载荷分量达到最大时的情况，提高了计算的可靠性、全面性，同时，减小了计算量。对于疲劳强度分析，极大的减小了计算的工作量，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，属于风力发电技术领域。
背景技术
目前，在风电技术领域，对于风电机组轮毂，主要采用的结构形式是“球形”，由于其结构的复杂性，不能像叶片、主轴、塔筒等细长零部件一样进行等效分析，它的强度分析（极限强度和疲劳强度）工作主要是采用有限元方法进行，如说明书附图1所示。在模型中，主要包括了轮毂主体、变桨轴承、叶片假体、部分主轴几个零部件，建立叶片假体和部分主轴的的依据是圣维南原理，使轮毂的连接部位的应力也接近真实。在主轴末端（1位置）施加全位移约束，在叶片根部（2位置）施加载荷，载荷通过刚性区域传递到叶片假体顶部，从而对轮毂主体施加作用力。风机在实际运行中，轮毂要承受三个叶片载荷的同时作用，且在同一时刻，三个叶片的载荷是不一样的。背景技术对于轮毂的极限强度分析，采用的方法是：当某一个叶片的某一个分量载荷达到最大值时，连同其它叶片位置的其余载荷分量一同施加到模型中，计算完成后去检查轮毂应力情况，根据相关行业标准去检查其是否满足极限强度要求。但是，这样做的缺点是：它假设当某一个叶片的某一个载荷分量达到最大时，轮毂承受了最大的极限载荷。但是实际情况是：当某一个叶片的某一个分量载荷达到最大值时，轮毂不一定承受最大的载荷。风机运行中经历的载荷工况很复杂，可能在某一个工况下，三个叶片载荷都很大，但是没有一个叶片的某一个载荷分量达到最大值。对于疲劳分析，背景技术一般的做法是：在每一个叶片根部施加单位载荷，从而计算轮毂在单位载荷作用下的单位应力，然后结合载荷的时间序列进行分析，根据Miner线性累计损伤理论进行疲劳分析。这样做，需要在每一个叶片的根部施加六个载荷分量（Mx、My、Mz、Fz、Fy、Fz）进行计算，对三个叶片风机，就要对模型进行18次的加载计算，一般来说，轮毂的有限元模型规模很大，计算每个载荷都需要花费一定的时间，这样做起来很费时间，工作效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，对所有极限载荷工况进行计算，并且减少了有限元模型的计算次数。对于疲劳强度分析，只需要在一个叶片位置施加六个载荷分量，计算六次即可，极大的提高了工作效率，解决背景技术存在的上述问题。
本发明的技术方案是：兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，包含如下步骤：①根据球形轮毂的对称性，取其1/3的模型进行建模，形成1/3的有限元模型，然后旋转形成整体的轮毂有限元模型；②对于原1/3模型上的每一单元，在120度和240度方向上都有单元和其对应，即都能找到由这个单元拷贝形成的在120度和240度位置上的单元；③利用球形轮毂的旋转对称性来进行计算和强度校核，旋转对称性是指：在其中一个叶片加载和在另一个叶片加载形成的轮毂应力云图，两者旋转120度或者240度，是能够完全重合的。
对于轮毂极限强度分析，根据线性叠加原理，在原1/3模型对应的叶片根部分别施加六个单位载荷分量（对于Mx、My、Mz取值为1NM，对于Fx、Fy、Fz取值为1N）进行计算。以一个有限元单元为例，在某一个单位载荷下，可以提取此单元的应力，同时，也可以得到120度方向和240度方向位置两个单元的应力（此两个单元是由原单元拷贝生成），利用球形轮毂的旋转对称性，就可以得到在其他两个叶片根部分别施加同样单位载荷时在此单元的应力贡献。这样，有了每一个叶片根部的单位载荷对此单元的应力贡献，就可以得到在三个叶片根部都存在载荷时，在此单元的应力值（线性叠加原理）。据此，就可以计算每一个极限载荷工况下在此单元的应力。
对于疲劳分析，同样根据旋转对称性，就可以只计算在1/3模型上叶片根部的六个载荷分量下的应力，其余叶片根部施加载荷时在同一个位置贡献的应力可以根据旋转对称性得到。这样，相当于减小了2/3的计算工作量，极大的提高了工作效率。
本发明的积极效果：对于轮毂的极限强度分析，可以考虑到所有的极限载荷工况，而不仅仅是局限于某一个载荷分量达到最大时的情况，提高了计算的可靠性、全面性，同时，减小了计算量。对于疲劳强度分析，极大的减小了计算的工作量，提高了工作效率。
附图说明
图1是用于分析的整体有限元模型；
图2是1/3的轮毂有限元模型；
图3是经过旋转拷贝以后生成的整体轮毂有限元模型；
图4是旋转对称选取单元应力说明；
图中：1.叶片1；2.叶片2；3.叶片3；4.有限元单元一；5.有限元单元二；6.有限元单元三。
有限元单元一、有限元单元二、有限元单元三是旋转对称的，即有限元单元而是有有限元单元一顺时针旋转120度拷贝而成，有限元单元三是由有限元单元一顺时针旋转240度拷贝而成。
例如，需要计算有限元单元一在各种极限工况下的应力。首先，在叶片1的根部施加单位载荷，然后分别记录下有限元单元一、有限元单元二、有限元单元三的应力。那么，根据旋转对称性，如果在叶片2位置也存在同样载荷的话，这个载荷对限元单元一的应力贡献相当于在叶片1施加相同载荷时在有限元单元二位置产生的应力；根据旋转对称性，如果在叶片3位置也存在相同的载荷的话，这个载荷对有限元单元一的应力贡献相当于在叶片1施加相同载荷时在有限元单元三位置产生的应力。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
参照附图1、4，有限元单元一、有限元单元二、有限元单元三是旋转对称的，即有限元单元而是有有限元单元一顺时针旋转120度拷贝而成，有限元单元三是由有限元单元一顺时针旋转240度拷贝而成。
例如，需要计算有限元单元一在各种极限工况下的应力。首先，在叶片1的根部施加单位载荷，然后分别记录下有限元单元一、有限元单元二、有限元单元三的应力。那么，根据旋转对称性，如果在叶片2位置也存在同样载荷的话，这个载荷对限元单元一的应力贡献相当于在叶片1施加相同载荷时在有限元单元二位置产生的应力；根据旋转对称性，如果在叶片3位置也存在相同的载荷的话，这个载荷对有限元单元一的应力贡献相当于在叶片1施加相同载荷时在有限元单元三位置产生的应力。
具体的实施例，参照附图1、2、3、4。具体实施步骤如下：
下面的步骤是针对一个有限元单元（图4中的有限元单元一）计算而言，对其它单元计算相同；
1. 建立1/3轮毂的有限元模型，然后旋转拷贝成整体的轮毂有限元模型，然后再建立叶片假体、主轴、变桨轴承的有限元模型，将各个零部件的有限元在Ansys中进行装配，定义零件间之间的连接关系，定义边界条件；
2. 在叶片1位置分别施加Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz六种单位载荷进行计算，并保存计算结果；
3. 根据对称性，找到有限元单元二和有限元单元三；然后分别保存有限元单元一、有限元单元二和有限元单元三在六种单位载荷下的应力数值，记为S1_Mx、S1_My、S1_Mz、S1_Fx、S1_Fy、S1_Fz;S2_Mx、S2_My、S2_Mz、S2_Fx、S2_Fy、S2_Fz;S3_Mx、S3_My、S3_Mz、S3_Fx、S3_Fy、S3_Fz，即形成六个单位载荷和有限元单元一、有限元单元二、有限元单元三的应力之间的一一对应关系；
4. 结合由风电机组载荷仿真软件计算得到的极限工况叶片根部六种载荷的时间序列，记为Mx_blade1，My_balde1、Mz_balde1、Fx_blade1，Fy_balde1、Fz_balde1;Mx_blade2，My_balde2、Mz_balde2、Fx_blade2，Fy_balde2、Fz_balde2;Mx_blade3，My_balde3、Mz_balde3、Fx_blade3，Fy_balde3、Fz_balde3，针对一个极限载荷工况，根据图4说明中的方法，采用如下公式计算单元1的应力：
Mx_blade1×S1_Mx + My_balde1×S1_My + Mz_balde1×S1_Mz + Fx_blade1×S1_Fx + Fy_balde1×S1_Fy + Fz_balde1×S1_Fz + Mx_blade2×S2_Mx + My_balde2×S2_My + Mz_balde2×S2_Mz + Fx_blade2×S2_Fx + Fy_balde2×S2_Fy + Fz_balde2×S2_Fz + Mx_blade3×S3_Mx + My_balde3×S3_My + Mz_balde3×S3_Mz + Fx_blade3×S3_Fx + Fy_balde3×S3_Fy + Fz_balde3×S3_Fz；
5. 重复第4步，对其他所有的极限载荷工况进行计算；
6. 对所有计算出来的有限元单元一的极限应力时间序列进行统计，找出最大值，根据相关行业标准，判断是否极限强度要求。
对于疲劳强度分析，具体实施步骤如下：
1. 重复极限强度分析的1、2、3步；
2. 结合由风电机组载荷仿真软件计算得到的疲劳工况叶片根部六种载荷的时间序列，记为Mx_blade1，My_balde1、Mz_balde1、Fx_blade1，Fy_balde1、Fz_balde1; Mx_blade2，My_balde2、Mz_balde2、Fx_blade2，Fy_balde2、Fz_balde2;Mx_blade3，My_balde3、Mz_balde3、Fx_blade3，Fy_balde3、Fz_balde3，针对一个疲劳载荷工况，根据图4说明中的方法，采用如下公式计算单元1的应力：
Mx_blade1×S1_Mx + My_balde1×S1_My + Mz_balde1×S1_Mz + Fx_blade1×S1_Fx + Fy_balde1×S1_Fy + Fz_balde1×S1_Fz + Mx_blade2×S2_Mx + My_balde2×S2_My + Mz_balde2×S2_Mz + Fx_blade2×S2_Fx + Fy_balde2×S2_Fy + Fz_balde2×S2_Fz + Mx_blade3×S3_Mx + My_balde3×S3_My + Mz_balde3×S3_Mz + Fx_blade3×S3_Fx + Fy_balde3×S3_Fy + Fz_balde3×S3_Fz
3. 重复第4步，对其它所有的疲劳载荷工况进行计算；
4.对所有计算出来的有限元单元1的应力时间序列进行雨流统计，结合材料的S-N曲线，采用Miner线性累计损伤计算有限元单元1的疲劳损伤，判断其在寿命期内的安全性。
Claims (3)
1.一种兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，其特征在于兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，包含如下步骤：①根据球形轮毂的对称性，取其1/3的模型进行建模，形成1/3的有限元模型，然后旋转形成整体的轮毂有限元模型；②对于原1/3模型上的每一单元，在120度和240度方向上都有单元和其对应，即都能找到由这个单元拷贝形成的在120度和240度位置上的单元；③利用球形轮毂的旋转对称性来进行计算和强度校核，旋转对称性是指：在其中一个叶片加载和在另一个叶片加载形成的轮毂应力云图，两者旋转120度或者240度，是能够完全重合的。
2.根据权利要求1所述之兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，其特征在于：对于轮毂极限强度分析，在原1/3模型对应的叶片根部分别施加六个单位载荷分量进行计算；有了每一个叶片根部的单位载荷对此单元的应力贡献，就可以得到在三个叶片根部都存在载荷时，在此单元的应力值，然后计算每一个极限载荷工况下在此单元的应力。
3.根据权利要求1或2所述之兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，其特征在于：对于疲劳分析，只计算在1/3模型上叶片根部的六个载荷分量下的应力，其余叶片根部施加载荷时在同一个位置贡献的应力根据旋转对称性得到。
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