CN102831260B - 一种风力发电机组轮毂强度计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种大功率水平轴紧凑型风力发电机组轮毂计算方法。在有限元模型中考虑了变桨驱动、变桨轴承的滚子等，并使用了一段叶片假体。让模型的受力传递更加准确，模型计算结果的准确性提高。根据轮毂的受力特点，只对四个极限工况进行计算，提高了计算的效率。对轮毂体的疲劳分析，在轮毂体的表面铺设了一层很薄的壳单元，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机组关键零件的强度计算方法。具体说是一种风力发电机组轮毂的强度计算方法，主要用于大功率水平轴紧凑型风力发电机组。
背景技术
目前主流的大功率水平轴风力发电机组中，风载荷通过叶片和变桨轴承传递到轮毂，轮毂通过主轴将动力传递到主传动链进行发电。在轮毂上安装了变桨驱动，使风机在风力变化的情况下改变叶片的桨距角度，从而确保风机安全高效的运行。轮毂是风机中的关键零件之一，在设计过程中为确保风机的安全和使用寿命，根据德国劳埃德（GL）认证规范必须对其强度进行计算。目前，对轮毂强度计算方法主要是采用现有的有限元软件进行模拟，现有的有限元分析软件可用于覆盖结构、温度、流体、电磁场和多物理场耦合等研究领域，但是模型的简化方法对计算精度的影响较大，如简化不当甚至不能正确计算出轮毂的强度。
在专利检索中指发现有如下一些专利与本发明有一定的相关：
1、专利申请号为CN201010617957.2，发明名称为“一种风力发电机组主轴强度计算方法”的发明专利，该专利公开了一种风力发电机组主轴强度计算方法，通过现有的有限元软件为平台实施建模，最后定义各个部件材料属性，进行计算，得出变形及应力云图，建模过程中主要包括将主轴、轴承和锁紧盘用实体单元模拟设置合并为一体结构，锁紧盘外部设置四个齿轮箱弹性支承并且每个齿轮箱弹性支撑由弹簧单元组模拟，风轮节点与主轴的各个法兰螺栓孔通过刚性梁单元I连接，锁紧盘与弹簧单元组采用刚性梁单元II连接；于风轮节点施加外部载荷，对弹簧单元组施加全部约束，对轴承施加位置约束。
2、专利申请号为CN201110352047.0，发明名称为“兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法”的发明专利，该专利公开了一种兆瓦级风力发电机组轮毂有限元建模方法，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。
但是专利1只是针对主轴强度进行计算的，并不能适用于轮毂强度分析计算；专利2的不足是：1）没有对几何模型的简化进行说明；2）在建立有限元模型时没有对轴承和变桨驱动的模拟进行考虑，导致有限元模型不够准确；3）没有对需要计算的极限载荷工况进行总结筛选，导致计算工作量较大；4）没有对轮毂疲劳寿命的具体计算进行介绍 ，因此仍有必要对如何改善现有轮毂强度分析计算方法中的不足进行分析研究。
发明内容
本发明的目的在于针对现有轮毂强度分析计算方法中的不足，提出一种新的轮毂强度分析计算方法，此方法更为简单，精度更高。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种风力发电机组轮毂强度计算方法，主要用于大功率水平轴紧凑型风力发电机组，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得出应力云图；建模过程中主要包括以下步骤：
（1）建立的有限元模型；包括：叶片根部的一段、变浆轴承、变桨驱动、轮毂、主轴靠近轮毂的一段，分别建立有限元模型；其中，在叶片根部创建节点并将其转换到德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下，然后刚性耦合到叶片上；变桨轴承的滚子采用只受压力不受拉力的单元进行模拟；叶片和变桨轴承、变桨轴承和轮毂、轮毂和主轴之间的接触属性均定义为绑定；在轮毂体表面铺设一层很薄的壳单元。
（2）对相关零部件所使用的材料在有限元前处理软件中定义其弹性模量、泊松比等属性。
（3）建模完成后，使用载荷软件（GH bladed）输出GL叶根坐标系下叶根极限载荷，将载荷表中Mx、My、Mz和Myz绝对值最大工况分别施加在叶根中心，并对主轴端部施加全约束。
（4）将有限元模型提交有限元软件进行分析计算，使用有限元软件后处理模块看结果云图并提取相关结果数据。
该发明所述的风力发电机组轮毂强度计算的有益效果为：1、在有限元模型中考虑了变桨驱动、变桨轴承的滚子等，并使用了一段叶片假体。让模型的受力传递更加准确，模型计算结果的准确性提高。2、根据轮毂的受力特点，只对四个极限工况进行计算，提高了计算的效率。3、在轮毂体的表面铺设了一层很薄的壳单元，供对轮毂进行疲劳分析时使用。
附图说明
图1为本发明计算方法所用几何模型结构。
图2为本发明计算方法所用有限元模型结构。
图3为有限元模型中变桨轴承和变桨驱动模拟的细节特征。
图4为轮毂在某极限工况下的应力云图。
图5为轮毂的疲劳损伤结果图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
通过附图可以看出本发明涉及一种风力发电机组轮毂强度计算方法，主要用于大功率水平轴紧凑型风力发电机组，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得出德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下叶根极限载荷Mx、My、Mz和Myz绝对值最大四个极限工况下的应力云图；建模过程中主要包括以下步骤：
（1）建立的有限元模型；包括：叶片根部的一段、变浆轴承、变桨驱动、轮毂、主轴靠近轮毂的一段，分别建立有限元模型；其中，在叶片根部创建节点并将其转换到德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下，然后刚性耦合到叶片上；变桨轴承的滚子采用只受压力不受拉力的单元进行模拟；叶片和变桨轴承、变桨轴承和轮毂、轮毂和主轴之间的接触属性均定义为绑定；在轮毂体表面铺设一层很薄的壳单元。
（2）对相关零部件所使用的材料在有限元前处理软件中定义其弹性模量、泊松比等属性。
（3）建模完成后，使用载荷软件（GH bladed）输出德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下叶根极限载荷，将载荷表中Mx、My、Mz和Myz绝对值最大工况分别施加在叶根中心，并对主轴端部施加全约束。
（4）将有限元模型提交有限元软件进行分析计算，使用有限元软件后处理模块看结果云图并提取相关结果数据。
实施例一
一种风力发电机组轮毂强度计算方法，使用三维软件建立几何模型，在建模前需要对轮毂的外部接口零部件和受力要有一个总体的认识。与轮毂1连接的主要零部件是变浆轴承3、变浆驱动、叶片2、楔形盘和主轴4。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。建立完毕的几何模型如图1所示。将几何模型转化为中间格式的文件后，导入专业的有限元前处理软件，对模型进行网格划分并对相关零部件定义材料属性，以建立分析所需的有限元模型，所建立的有限元模型如图2和图3所示。为了便于载荷的施加，建立了叶片的假体2，根据圣维南原理，叶片假体2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4和变桨轴承3的假体。楔形盘位于叶片假体2和变桨轴承3之间，予以简化，不建立假体。简化掉叶片假体2与变桨轴承假体3、变桨轴承假体3与轮毂1、轮毂1与主轴假体4之间的螺栓连接，在有限元模型中通过设置绑定来耦合各部件。对主轴端部进行全约束，施加载荷和约束后的模型如图2所示。然后将有限元模型使用求解器进行计算，并使用有限元软件的后处理模块查看分析结果，某极限工况下轮毂的应力云图如图4所示。根据德国劳埃德GL规范要求对计算的结果进行评估。
对轮毂体的疲劳分析，需根据德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下叶根位置单位载荷有限元分析中所获得的轮毂表面壳单元的应力应变结果，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计算。图5中的最小寿命为102.899＝792.501，满足风机20年的设计寿命要求。
对轮毂体的疲劳分析，需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计算。
名词解释：
1、德国劳埃德GL规范——又称德国劳埃德船级社规范，其中GL德国劳埃德船级社风力机设计标准，是由世界权威的叶片认证机构德国劳埃德船级社制定的专门关于风力设备的标准。
2、叶根坐标系——基于叶根处所建立的坐标系，见德国劳埃德GL规范中的规定。
圣维南原理——是弹性力学的基础性原理，是法国力学家A.J.C.B.de圣维南于1855年提出的。
Claims (2)
1.一种风力发电机组轮毂强度计算方法，主要用于大功率水平轴紧凑型风力发电机组，通过现有的有限元软件为平台实施建模，定义各个部件材料属性，进行计算，得出德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下叶根极限载荷Mx、My、Mz和Myz绝对值最大四个极限工况下的应力云图；建模过程中主要包括以下步骤：
（1）建立的有限元模型；包括：叶片根部的一段、变浆轴承、变桨驱动、轮毂、主轴靠近轮毂的一段，分别建立有限元模型；其中，在叶片根部创建节点并将其转换到德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下，然后刚性耦合到叶片上；变桨轴承的滚子采用只受压力不受拉力的单元进行模拟；叶片和变桨轴承、变桨轴承和轮毂、轮毂和主轴之间的接触属性均定义为绑定；在轮毂体表面铺设一层很薄的壳单元；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；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绑定来耦合各部件；
（2）对相关零部件所使用的材料在有限元前处理软件中定义其弹性模量、泊松比属性；
（3）建模完成后，使用载荷软件（GH bladed）输出德国劳埃德GL规范中规定的叶根坐标系下叶根极限载荷，将载荷表中Mx、My、Mz和Myz绝对值最大工况分别施加在叶根中心，并对主轴端部施加全约束；
（4）将有限元模型提交有限元软件进行分析计算，使用有限元软件后处理模块看结果云图并提取相关结果数据。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组轮毂强度计算方法，其特征是：对轮毂体的疲劳分析，需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计算。
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