CN103020377B - 一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，包括：（1）对于直驱风力发电机结构进行有限元建模；（2）对直驱风力发电机结构加载外载；（3）计算提取外载作用下的螺栓应力结果；（4）对提取的螺栓应力结果进行后处理；（5）根据后处理的结果计算螺栓的疲劳强度和极限强度，其中，在步骤（3）中，所述螺栓应力结果包括对螺栓同一截面的轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力结果；对应地，在步骤（4）中，所述的后处理过程为：将所述轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力这三个应力分量进行迭加计算，然后根据最大主应力法则合成合应力。本发明的分析方法对于螺栓强度的分析更加精确，对螺栓结构实际设计的指导意义更加重大。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法。
背景技术
近年来，随着风力发电技术的高速发展，风电机组的单机容量也越来越大，直驱发电机取代增速机构和普通发电机的组合结构成为了风力发电技术的必然发展趋势。
现有的直驱发电机螺栓强度分析方法，提取的多为螺栓的Mises应力，对这个应力随电机外载变化而产生的变化进行统计分析计算，这是一个有限元软件自己合成的应力，螺栓在不同载荷作用下的Mises应力的方向不同，直接用来迭加不合适，由此可见，现有的分析方法缺少对螺栓本身应力分布、合成，及其与外载关系的分析计算。即，现有的分析方法通过计算机仿真来计算螺栓的强度，但其仅为初步分析，所得分析结果仿真度低，精确性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种精确性更高的直驱风力发电机的螺栓强度分析方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，包括：（1）对直驱风力发电机结构进行有限元建模；（2）对直驱风力发电机结构加载外载；（3）计算提取外载作用下的螺栓应力结果；（4）对提取的螺栓应力结果进行后处理；（5）根据后处理的结果计算螺栓的疲劳强度和极限强度；其中，在步骤（3）中，所述螺栓应力结果包括对螺栓同一截面的轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力结果；对应地，在步骤（4）中，所述的后处理过程为：将所述轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力这三个应力分量进行迭加计算，然后根据最大主应力法则合成合应力。
进一步地，在步骤（2）中，所述外载采用分段加载的方式进行加载；对应地，在步骤（5）中，计算螺栓的极限强度时，采用分段差值计算方法。
进一步地，在步骤（2）中，所述外载仅考虑风力发电机轮毂中心处的My和Mz载荷。
进一步地，在步骤（2）中，在加载外载时，分成正负载荷加载，并且各平均分为四段，其中，加载My载荷时，加载-My，-3/4My，-1/2My，-1/4My，0,1/4My，1/2My，3/4My，My共9个载荷步，加载Mz载荷步骤相同；对应地，所述步骤（5）中的分段差值计算方法为：选择±My和±Mz对应的螺栓合应力中的最大值，差值得出最大Myz值对应的螺栓合应力，用其计算螺栓的极限强度。
进一步地，在步骤（2）中，首先对直驱风力发电机结构施加螺栓预紧力和重力载荷，分为两个载荷步，然后再施加所述的外载；对应地，在步骤（3）中，用施加螺栓预紧力、重力、外载的结果减去只施加螺栓预紧力和重力的结果，即得到外载作用下的螺栓应力结果。
进一步地，在步骤（5）中，所述疲劳强度的计算方法为：将步骤（4）得到的合应力与外载疲劳载荷时间历程相结合，得出螺栓截面各个位置最大主应力随时间变化的应力谱，再将应力谱统计成应力结果的马科夫矩阵，结合符合行业GL规范的螺栓疲劳S-N曲线，计算在特定风力发电机疲劳载荷谱和工况发生次数条件下，风力发电机安全运行年限内，各个螺栓同一截面不同位置的损伤值，从中选出最大的值为该螺栓的疲劳损伤值。
进一步地，所述符合行业GL规范的螺栓疲劳S-N曲线为经过衰减处理的曲线。
进一步地，所述特定风力发电机疲劳载荷谱为原始的疲劳载荷谱。
进一步地，所述步骤（5）中还计算螺栓加紧状态及被连接件的受力情况。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、在提取螺栓应力时，本发明的方法是提取螺栓的轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力，在后处理过程中将这三个应力分量进行迭加计算，然后根据最大主应力法则合成合应力，这样也会更加精确。
2、考虑到螺栓分析过程中的非线性问题，本发明中的外载为分段加载，在计算螺栓极限强度时采用分段差值计算方法，会更加精确。
3、在外载加载之前考虑重力和螺栓预紧力的影响，将重力和螺栓预紧力作用下各螺栓的应力情况作为初始状态，会更加精确。
4、反应螺栓疲劳性能的S-N曲线，是根据行业规范进行过衰减的，在计算时可以保证足够保守，会更加精确。
5、螺栓疲劳强度用到的是原始的疲劳载荷谱，相对于现有中常用的合成后的等效疲劳载荷，会更加精确。
6、本发明的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其中的高强螺栓用于连接直驱风力发电机的各个部分，该分析方法对发电机结构中的所有螺栓进行一次性共同分析，这样能够更真实的描述各组螺栓所处的外部条件，对于螺栓强度的分析更加精确，对螺栓结构实际设计的指导意义更加重大。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中所研究的螺栓（高强螺栓）用于连接直驱风力发电机的各个部分，通过计算机仿真来分析计算螺栓的极限强度、疲劳强度、螺栓加紧状态、被连接件的受力情况等，校核其是否满足要求，如不满足，则需要更改设计。
本发明的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其具体分析步骤如下：
（1）对直驱风力发电机结构进行有限元建模，其中：
A、结构件采用实体网格划分，螺纹孔处模拟成螺纹内径大小的光孔。
B、螺栓采用梁单元模拟，螺栓梁单元与螺纹孔（螺母）和螺帽之间通过梁单元来连接。
C、螺栓连接的结构件之间施加普通接触，无螺栓连接的结构件接触面采用绑定接触，螺母或螺帽与被压件之间采用绑定接触。
（2）对直驱风力发电机结构，首先施加螺栓预紧力和重力载荷，分为两个载荷步，然后加载外载。
由于直驱风力发电机轮毂中心处的My和Mz载荷对于螺栓极限强度和疲劳强度有主要影响，因此只分析这两个载荷。考虑到结构的非线性特点，不同外载与结构本身的应力结果之间的关系也是非线性的。因此在施加外载时，分成正负载荷加载，并且各平均分为四段。例如加载My载荷时，加载-My，-3/4My，-1/2My，-1/4My，0,1/4My，1/2My，3/4My，My共9个载荷步。其中0载荷代表结构只施加螺栓预紧力和重力，而不施加外载。
（3）计算提取外载作用下的螺栓应力结果：
进行有限元分析计算，提取在各个载荷步下，每个螺栓轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力的结果数据。对数据进行处理，用施加预紧力、重力、外载的结果减去只施加预紧力和重力的结果，即得到外载作用下的螺栓应力结果。
（4）对提取的螺栓应力结果进行后处理：
将轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力这三个应力分量进行迭加计算，然后根据最大主应力法则，分角度模拟螺栓同一截面，不同角度的位置上的最大主应力，合成合应力。
（5）计算螺栓的疲劳强度：
将步骤（4）得到的合应力与外载疲劳载荷时间历程相结合，得出螺栓截面各个位置最大主应力随时间变化的应力谱，再将应力谱统计成应力结果的马科夫矩阵，结合符合行业GL规范的螺栓疲劳S-N曲线，计算在特定风力发电机疲劳载荷谱和工况发生次数条件下，风力发电机安全运行年限（20年）内，各个螺栓同一截面不同位置的损伤值，从中选出最大的值为该螺栓的疲劳损伤值。
符合行业GL规范的螺栓疲劳S-N曲线为经过衰减处理的曲线。
特定风力发电机疲劳载荷谱为原始的疲劳载荷谱。
（6）计算螺栓的极限强度：
在步骤（4）中的合应力结果基础上，选择±My和±Mz对应的螺栓合应力中的最大值，通过分段差值计算方法，差值得出最大Myz值对应的螺栓合应力（极限载荷作用下螺栓的最大主应力），结合螺栓尺寸，预紧力等参数，并结合螺栓紧固过程中的残余剪切应力，计算其在工作状态下的极限应力，进行极限分析判断。
（7）进行螺栓加紧平面的滑动检查。对比螺栓预紧力产生的抗扭扭矩与结构外载极限扭矩之间的关系，如果螺栓预紧力产生的抗扭扭矩大于外载极限扭矩，则螺栓加紧平面在极限工况下不会发生滑动。反之则会发生滑动，需要进行进一步的分析。其中，进一步分析指的是：在滑动检查时，如果预紧力产生的抗扭扭矩小于极限外载扭矩，螺栓连接的两个零件的接触面就会滑动，需要更改结构设计。例如修改接触面涂料来增大摩擦系数、修改螺栓分度圆直径来增大预紧力产生的抗扭扭矩等等方法。
（8）对被连接件的受力情况进行分析。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，包括：(1)对直驱风力发电机结构进行有限元建模；(2)对直驱风力发电机结构加载外载；(3)计算提取外载作用下的螺栓应力结果；(4)对提取的螺栓应力结果进行后处理；(5)根据后处理的结果计算螺栓的疲劳强度和极限强度，其特征于：
在步骤(2)中，所述外载采用分段加载的方式进行加载；
在步骤(3)中，所述螺栓应力结果包括对螺栓同一截面的轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力结果；
在步骤(4)中，所述的后处理过程为：将所述轴向应力和两个相互垂直的弯曲应力这三个应力分量进行迭加计算，然后根据最大主应力法则合成合应力；
在步骤(5)中，计算螺栓的极限强度时，采用分段差值计算方法。
2.根据权利要求1所述的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述外载仅考虑风力发电机轮毂中心处的My和Mz载荷。
3.根据权利要求2所述的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其特征在于：
在步骤(2)中，在加载外载时，分成正负载荷加载，并且各平均分为四段，其中，加载My载荷时，加载-My，-3/4My，-1/2My，-1/4My，0,1/4My，1/2My，3/4My，My共9个载荷步，加载Mz载荷步骤相同；
对应地，所述步骤(5)中的分段差值计算方法为：选择±My和±Mz对应的螺栓合应力中的最大值，差值得出最大Myz值对应的螺栓合应力，用其计算螺栓的极限强度。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其特征在于：
在步骤(2)中，首先对直驱风力发电机结构施加螺栓预紧力和重力载荷，分为两个载荷步，然后再施加所述的外载；
对应地，在步骤(3)中，用施加螺栓预紧力、重力、外载的结果减去只施加螺栓预紧力和重力的结果，即得到外载作用下的螺栓应力结果。
5.根据权利要求4所述的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其特征在于：
在步骤(5)中，所述疲劳强度的计算方法为：将步骤(4)得到的合应力与外载疲劳载荷时间历程相结合，得出螺栓截面各个位置最大主应力随时间变化的应力谱，再将应力谱统计成应力结果的马科夫矩阵，结合符合行业GL规范的螺栓疲劳S-N曲线，计算在特定风力发电机疲劳载荷谱和工况发生次数条件下，风力发电机安全运行年限内，各个螺栓同一截面不同位置的损伤值，从中选出最大的值为该螺栓的疲劳损伤值。
6.根据权利要求5所述的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其特征在于：
所述符合行业GL规范的螺栓疲劳S-N曲线为经过衰减处理的曲线。
7.根据权利要求5所述的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其特征在于：所述特定风力发电机疲劳载荷谱为原始的疲劳载荷谱。
8.根据权利要求1所述的一种直驱风力发电机的螺栓强度分析方法，其特征在于：所述步骤(5)中还计算螺栓加紧状态及被连接件的受力情况。
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