CN102930085A

CN102930085A - 一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法

Info

Publication number: CN102930085A
Application number: CN2012103973456A
Authority: CN
Inventors: 吕杏梅; 赵萍; 钟杰
Original assignee: CSR Zhuzou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: CN102930085B

Abstract

一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，本发明通过将VDI2230标准与有限元分析相结合，使用有限元分析建模，设定边界条件及求解得到螺栓在外载作用下的应力增加量，并通过VDI2230标准考虑螺栓预紧力施加方式对其受力的影响，考虑两方面的因素后得到螺栓的极限强度。建模过程中螺杆部分使用三维梁单元进行模拟，螺栓螺纹部分与螺孔啮合、螺栓头部与螺杆部分使用多节点约束的方式模拟受力情况。本发明的较为完善的考虑了螺栓的综合受力情况，对螺栓进行了合理的模拟，可以广泛应用于风力发电机组中除塔筒连接螺栓外的所有高强度螺栓强度校核中，为高强度螺栓的设计提供了一种可靠的依据。

Description

一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法

技术领域

本发明应用于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，具体应用于风力发电机组中除塔筒连接螺栓外其它大型结构件的连接螺栓强度的计算。

背景技术

螺栓是风力发电机组中叶片、轮毂、主轴、机架、轴承等重要的连接部件。在设计的过程中，因强度设计不准确，造成整机运行安全性得不到保障，很容易出现一些事故。近几年螺栓失效的问题频出，除了因其本身加工质量问题，也存在其设计不合理的因素在内。在以往对螺栓强度设计过程中，有的根据VDI 2230标准，此标准主要通过计算出最危险螺栓在外载荷作用下所受的轴向力和剪切力，结合其它的几何参数，得出满足螺栓强度时在螺栓上所施加的载荷值。当结构比较复杂时，使用工程算法计算螺栓所受的轴向力和剪切力作为VDI 2230标准的输入条件计算得到的精确性就很难保证。有的也是使用有限元方法计算螺栓的强度，但是在计算过程中未考虑到螺栓预紧力的施加方式，另外在对螺栓强度计算时，螺栓经常使用实体单元模拟，这样无形中增加模型的节点和单元数目，从而增加一定的计算成本。并且在螺栓强度评价时主要考虑螺栓的轴向应力，而对因弯曲而使螺栓承受的弯曲正应力均未考虑，这样计算出的螺栓应力会偏危险，存在一定的设计风险。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法。该发明通过将VDI2230标准与有限元分析相结合，使用有限元方法建立计算螺栓强度的分析模型，施加螺栓预紧力及外载荷边界及约束边界，求解得到螺栓所受综合应力。本发明的螺栓强度计算方法可应用于风力发电机组中除塔筒连接螺栓外其它所有的强度设计过程中。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，通过有限元软件为平台实施建模，进行计算，得到螺栓的受力情况，包括如下步骤：

1）使用三维软件建立螺栓和由该螺栓连接的部件及关联部件的几何模型，进行装配后转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分；

2）对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，载荷边界主要包括螺栓预紧力和其它部件的惯性载荷；

3）有限元分析软件根据模型求解得出螺栓的受力情况。

所述高强度螺栓采用三维梁单元进行模拟。

所述由高强度螺栓连接的部件及关联部件在网格划分中均使用实体网格。

所述螺栓预紧力模拟方式为在螺栓头处建立一节点，施加节点力，之后将此节点与螺杆处的某一单元关联。

所述螺栓预紧力通过扭力扳手施加时，螺栓承受载荷还包括扭转应力，此应力根据VDI2230标准获得。

螺栓螺纹与螺纹孔啮合处、螺杆与螺栓头的连接处采用多点约束的方式进行模拟。

本发明的优点在于对风力发电机组高强度螺栓强度的计算中，将VDI 2230标准和有限元分析方法结合，完善了细节方面的考虑，此方法不受限于结构的复杂程度，同时可以全面的考虑影响螺栓强度的因素，较为准确的表达螺栓的实际受力情况。该计算方法简单实用，提高了风力发电机组高强度螺栓设计的可靠性。

具体实施方式

下面是对本发明作进一步的说明。

本实例以风力发电机组中前、后机架连接高强度螺栓（M30）强度的计算为例，详细讲述螺栓强度的具体计算过程如下：

首先，建立有限元分析模型。

使用三维软件建立被连接件前、后机架的几何模型，进行装配后并转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分。被连接件均为较大的金属结构，因此在网格划分中均使用实体网格；为了减少网格数量，螺栓采用三维梁单元进行模拟，在螺栓螺纹与螺纹孔啮合处、螺杆与螺栓头的连接处采用多点约束的方式进行模拟。

之后，对有限元分析模型施加相应的载荷边界及约束边界条件。

螺栓强度分析中的载荷边界主要包括：螺栓预紧力和在塔筒顶部坐标系下整个机舱的惯性载荷。螺栓预紧力的模拟方式为将螺栓螺杆部分采用三维梁单元，并在螺栓头处建立一节点，施加节点力，此力的大小与螺栓最小预紧力值同等（本实例中M30的螺栓，最小预紧力为273KN），之后将此节点与螺杆处的某一单元关联。整个机舱的惯性载荷的模拟方式：在整个模型中施加机舱点头惯性载荷、滚动惯性载荷及三个平动方向的惯性载荷。约束边界：主要为在前机架底部施加全自由度约束。

最后，将建立正确的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解。

本实施例所述的前、后机架连接高强度螺栓（M30）强度的计算中，采用本发明所述方法，得出的螺栓受力情况如下面几种表格所示。

表1为在施加螺栓最大预紧力时，螺栓所受的轴向应力。

表2采用扭力扳手施加预紧力时螺栓所承受的扭转应力。

螺栓的预紧力可以通过拉伸器施加，也可以通过扭力扳手施加。采用扭力扳手间接施加螺栓预紧力时，轴向预紧力由预紧力矩与螺栓直径、扭力系数间接获得，在分析中只需要将该间接获得的预紧力施加到螺栓上面模拟即可。螺纹孔与螺纹配合处会产生扭转应力，此应力根据VDI2230标准计算得到。如螺栓预紧力的施加采用拉伸器，此扭转应力将不予考虑。

表3为螺栓所承受的综合应力。某一极限工况下分析结果中挑选出受力较大的螺栓的各个应力分量，包括螺栓在预紧力作用下的轴向应力、在外载作用下轴向应力的增加量及预紧力施加方式不同所产生的扭转应力等，根据表格中公式计算得到螺栓承受的综合应力。根据此综合应力值及螺栓的屈服强度，评判螺栓的强度是否满足要求。在本实施例中根据表中的计算结果可知，螺栓的强度安全因子为14％＞0，因此满足螺栓的强度设计要求。

表1

螺栓最大预紧力F_Mzul	螺纹处应力截面积A_S	螺栓最大轴向应力σ_{Z_max}
			[kN]	[mm²]	[MPa]
437	560.7	779.3

表2

表3

本发明相对现有技术做出的主要贡献在于：

1）在螺栓模拟过程中，使用三维梁单元代替实体单元，减少节点和单元数量。

2）考虑螺栓预紧力的施加方式对其强度的影响。

3）在对螺栓强度评价过程中，不仅考虑到螺栓的轴向应力，而且还增加螺栓所承受的弯曲正应力，使螺栓的设计过程更完善。

上述实施例只是具体说明了将本发明应用在风力发电机组前、后机架连接高强度螺栓（M30）强度的计算和验证的过程，风机其它部位高强度螺栓强度的计算方法与此类似，区别仅仅在于具体的几何机构不同，不同部位具体的载荷边界和约束边界的施加方式不同，其基本思想是一致的。本实施例的目的在于使本领域专业技术人员可以据其了解本发明的技术方案并加以实施，并不能以其限制本专利的保护范围，凡依据本发明披露技术所作的变形，均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，通过有限元软件为平台实施建模，进行计算，得到螺栓的受力情况，包括如下步骤：

3）有限元分析软件根据模型求解得出螺栓的受力情况。

2.根据权利要求1所述一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，其特征在于：所述高强度螺栓采用三维梁单元进行模拟。

3.根据权利要求1所述一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，其特征在于：所述由高强度螺栓连接的部件及关联部件在网格划分中均使用实体网格。

4.根据权利要求1所述一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，其特征在于：所述螺栓预紧力模拟方式为在螺栓头处建立一节点，施加节点力，之后将此节点与螺杆处的某一单元关联。

5.根据权利要求1~4任一项所述一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，其特征在于：所述螺栓预紧力通过扭力扳手施加时，螺栓承受载荷还包括扭转应力，此应力根据VDI2230标准获得。

6.根据权利要求1~4任一项所述一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，其特征在于：螺栓螺纹与螺纹孔啮合处、螺杆与螺栓头的连接处采用多点约束的方式进行模拟。