CN106570326A - 一种l型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法及装置,属于风力发电技术领域。本发明首先计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系,其次按照三段线关系结合时序载荷求出螺栓的等效疲劳载荷;然后根据螺栓的应力面积求出螺栓的等效疲劳应力;再根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数以及螺栓S/N曲线计算螺栓的许用疲劳应力,并将螺栓的等效疲劳应力与许用疲劳应力进行比较,从而实现对螺栓疲劳强度的校核。本发明按照三段线关系结合时序载荷求出螺栓的等效疲劳载荷,过程简单,易于实施,提高了效率,可以对风机塔架L型法兰螺栓疲劳强度校核,适用性较广。
Description
技术领域
本发明涉及一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法及装置,属于风力发电技术领域。
背景技术
现在大型风力发电机组支撑结构一般采用圆锥形分段式塔筒,各段塔筒之间通过L型法兰以及螺栓进行连接,连接螺栓的疲劳强度与整个机组的寿命密切相关。L型法兰连接螺栓疲劳强度普遍采用应力谱进行计算,计算过程相对复杂,效率较低,而且通常需要借助造价较高的专业疲劳分析软件进行处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法及装置,以解决目前L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算过程复杂、效率低的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法,该方法包括以下步骤:
1)计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系;
2)按照外载荷与螺栓受力之间的三段线关系结合疲劳载荷时序谱计算螺栓的等效疲劳载荷及对应循环的次数;
3)根据螺栓的等效疲劳载荷及应力面积计算螺栓的等效疲劳应力;
4)根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数以及螺栓S/N曲线计算螺栓许用疲劳应力,并将螺栓等效疲劳应力与许用疲劳应力比较,以实现对螺栓疲劳强度的校核。
进一步地,所述步骤1)是采用Schmidt-Neuper方法计算得到外载荷与螺栓受力之间的三段线关系的。
进一步地,所述步骤2)是将螺栓疲劳载荷时序谱导入至Bladed软件中,根据疲劳外载荷与螺栓拉力之间的三段线关系,结合螺栓S/N曲线计算螺栓的等效疲劳载荷及对应循环次数。
进一步地,所述的螺栓S/N曲线是根据EN 1993-1-9确定的。
进一步地,所述步骤3)是根据《机械设计手册》确定螺栓的应力面积,螺栓的等效疲劳应力为螺栓的等效疲劳载荷与螺栓的应力面积的比值。
本发明还提供了一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算装置,该装置包括三段线关系计算模块、等效疲劳载荷计算模块、等效疲劳应力计算模块和许用疲劳应力计算模块,
所述三段线关系计算模块用于计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系;
所述等效疲劳载荷计算模块用于按照外载荷与螺栓受力之间的三段线关系结合疲劳载荷时序谱计算螺栓的等效疲劳载荷及对应的循环次数;
所述的等效疲劳应力计算模块用于根据螺栓应力面积计算螺栓的等效疲劳应力;
所述的许用疲劳应力计算模块用于根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数计算螺栓的许用疲劳应力,并将螺栓的等效疲劳应力与许用疲劳应力比较,以实现对螺栓疲劳强度的校核。
进一步地,所述的三段线关系计算模块是采用Schmidt-Neuper方法计算得到外载荷与螺栓受力之间的三段线关系的。
进一步地,所述等效疲劳载荷计算模块是将螺栓疲劳载荷时序谱导入至Bladed软件中,并根据疲劳外载荷与螺栓拉力之间的三段线关系以及螺栓S/N曲线计算螺栓的等效疲劳载荷及对应的循环次数。
进一步地,所述的螺栓S/N曲线是根据EN 1993-1-9确定的。
进一步地,所述的等效疲劳应力计算模块是根据《机械设计手册》确定螺栓的应力面积,螺栓的等效疲劳应力为螺栓的等效疲劳载荷与螺栓的应力面积的比值。
本发明的有益效果是:本发明首先计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系,其次按照三段线关系结合时序载荷求出螺栓的等效疲劳载荷;然后根据螺栓的应力面积求出螺栓的等效疲劳应力;再根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数以及螺栓S/N曲线计算螺栓的许用疲劳应力,并将螺栓的等效疲劳应力与许用疲劳应力进行比较,从而实现对螺栓疲劳强度的校核。本发明按照三段线关系结合时序载荷求出螺栓的等效疲劳载荷,过程简单,易于实施,提高了效率,可以对风机塔架L型法兰螺栓疲劳强度校核,适用性较广。并且计算得到的L型法兰连接螺栓疲劳强度准确可靠。
附图说明
图1是本发明中采用的L型法兰连接螺栓的受力及尺寸参数示意图;
图2是本发明L型法兰连接螺栓疲劳计算流程图;
图3是本发明L型法兰连接螺栓拉力与筒壁载荷之间的函数关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明L型法兰连接螺栓疲劳强度校核计算方法的实施例
本发明通过计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系,并按照三段线关系结合时序载荷计算螺栓的等效疲劳载荷,根据螺栓的应力面积求出螺栓的等效疲劳应力,然后再根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数以及螺栓S/N曲线计算螺栓的许用疲劳应力,并将螺栓的等效疲劳应力与许用疲劳应力进行比较,从而实现对螺栓疲劳强度的校核。本实施例以某风机塔筒L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的方法进行具体说明,L型法兰连接结构如图1所示,包括螺栓1、螺母2、垫圈3和L型法兰4,L型法兰4通过螺栓1和螺母2固定,垫圈3设置在螺母2和L型法兰4接触的地方,以避免螺母与法兰直接接触而损害法兰。该风机塔筒L型法兰连接螺栓疲劳强度校核计算的流程如图2所示,具体的实施步骤如下。
1.计算外载荷与螺栓受力之间的函数关系。
本实施例采用Schmidt-Neuper方法进行计算,Schmidt-Neuper方法认为螺栓所受载荷Fs与筒壁载荷Z是三段线关系,具体如下式所示:
以某风机塔筒L型法兰连接螺栓为例,连接螺栓所受载荷Fs与筒壁载荷Z之间的三段线函数关系计算流程如下:
1)确定L型法兰相关参数。
如图1所示,某风机L型法兰相关参数为:螺栓公称直径dn=48mm;螺栓孔直径dh=51mm;垫圈外径Dw=92mm;法兰厚度tf=150mm;垫圈厚度tw=8mm;螺栓孔中心距离法兰内径a=105mm;螺栓孔中心距离筒壁中径b=86mm;连接螺栓预紧力Fv=837kN;法兰、连接螺栓及垫圈弹性模量E=2.1×1011Pa。
2)计算连接螺栓及法兰相对刚度。
根据Petersen方法可计算连接螺栓及法兰相对刚度。
连接螺栓弹簧刚度:
法兰弹簧刚度:
垫圈弹簧刚度:
法兰等效刚度:
法兰及连接螺栓总等效刚度:
C=Cs+Cd=7.278×109(Pa·m)
连接螺栓相对刚度:
法兰相对刚度:
3)计算参数λ*数值。
根据Schmidt-Neuper方法,λ*按照下式进行计算:
4)计算三段线拐点位置处的筒壁载荷及螺栓拉力。
根据Schmidt-Neuper方法,三段线拐点位置处的筒壁载荷按照下式进行计算。
第一个拐点位置处的筒壁载荷:
第二个拐点位置处的筒壁载荷:
根据Schmidt-Neuper方法提出的螺栓拉力载荷与筒壁载荷之间的三段线函数关系式,可计算拐点位置处的螺栓拉力载荷。
第一个拐点位置处的螺栓拉力载荷:
FsI=Fv+p×ZI=874.496(kN)
第二个拐点位置处的螺栓拉力载荷:
FsII=λ*×ZII=971.007(kN)
5)拟合螺栓拉力Fs与筒壁载荷Z之间的三段线函数关系曲线。
根据拐点位置处筒壁载荷及对应的螺栓拉力载荷,参照Schmidt-Neuper三段线函数关系式,可拟合螺栓拉力与筒壁载荷之间的三段线函数关系曲线见图3所示。
2.计算螺栓的等效疲劳载荷。
按照三段线关系和时序载荷计算螺栓的等效疲劳载荷,具体为:在Bladed软件中,根据外载荷与螺栓拉力之间的关系,将疲劳载荷时序谱转换为螺栓的等效疲劳载荷。将螺栓疲劳载荷时序谱转换为螺栓的等效疲劳载荷具体为:将螺栓的疲劳载荷时序谱导入至Bladed软件中,结合螺栓的S/N曲线,基于损伤等效原则,计算螺栓的等效疲劳载荷及对应循环的次数。本实施例中螺栓S/N曲线由EN 1993-1-9确定,斜率m=4。
3.计算螺栓的等效疲劳应力。
螺栓的等效疲劳应力为螺栓的等效疲劳载荷与螺栓的应力面积之间的比值,其中螺栓的应力面积根据《机械设计手册》确定。
4.计算螺栓的许用疲劳应力。
根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数以及螺栓S/N曲线计算螺栓的许用疲劳应力,具体为:将螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数作为螺栓极限疲劳循环次数,结合螺栓S/N曲线,计算螺栓对应的极限疲劳应力,该极限疲劳应力即为螺栓的许用疲劳应力,将螺栓等效疲劳应力与许用疲劳应力比较,以实现对螺栓疲劳强度的校核。
本发明L型法兰连接螺栓疲劳强度校核计算装置的实施例
本实施例中的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核计算装置包括三段线关系计算模块、等效疲劳载荷计算模块、等效疲劳应力计算模块和许用疲劳应力计算模块,三段线关系计算模块用于计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系;等效疲劳载荷计算模块用于按照外载荷与螺栓受力之间的三段线关系结合疲劳载荷时序谱计算螺栓的等效疲劳载荷;等效疲劳应力计算模块用于根据螺栓应力面积计算螺栓的等效疲劳应力;许用疲劳应力计算模块用于根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数计算螺栓的许用疲劳应力,并将螺栓的等效疲劳应力与许用疲劳应力比较,以实现对螺栓疲劳强度的校核。各模块的具体实现手段已在方法的实施例中进行了详细说明,这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并用于限制本发明,对于本领域的技术人员而言,本发明可以有各种更改和变化。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,均包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系;
2)按照外载荷与螺栓受力之间的三段线关系结合疲劳载荷时序谱计算螺栓的等效疲劳载荷及对应循环的次数;
3)根据螺栓的等效疲劳载荷及应力面积计算螺栓的等效疲劳应力;
4)根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数以及螺栓S/N曲线计算螺栓许用疲劳应力,并将螺栓等效疲劳应力与许用疲劳应力比较,以实现对螺栓疲劳强度的校核。
2.根据权利要求1所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法,其特征在于,所述步骤1)是采用Schmidt-Neuper方法计算得到外载荷与螺栓受力之间的三段线关系的。
3.根据权利要求1所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法,其特征在于,所述步骤2)是将螺栓疲劳载荷时序谱导入至Bladed软件中,根据疲劳外载荷与螺栓拉力之间的三段线关系,结合螺栓S/N曲线计算螺栓的等效疲劳载荷及对应循环次数。
4.根据权利要求3所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法,其特征在于,所述的螺栓S/N曲线是根据EN 1993-1-9确定的。
5.根据权利要求1所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算方法,其特征在于,所述步骤3)是根据《机械设计手册》确定螺栓的应力面积,螺栓的等效疲劳应力为螺栓的等效疲劳载荷与螺栓的应力面积的比值。
6.一种L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算装置,其特征在于,该装置包括三段线关系计算模块、等效疲劳载荷计算模块、等效疲劳应力计算模块和许用疲劳应力计算模块,
所述三段线关系计算模块用于计算外载荷与螺栓受力之间的三段线关系;
所述等效疲劳载荷计算模块用于按照外载荷与螺栓受力之间的三段线关系结合疲劳载荷时序谱计算螺栓的等效疲劳载荷及对应的循环次数;
所述的等效疲劳应力计算模块用于根据螺栓应力面积计算螺栓的等效疲劳应力;
所述的许用疲劳应力计算模块用于根据螺栓等效疲劳载荷对应的循环次数计算螺栓的许用疲劳应力,并将螺栓的等效疲劳应力与许用疲劳应力比较,以实现对螺栓疲劳强度的校核。
7.根据权利要求6所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算装置,其特征在于,所述的三段线关系计算模块是采用Schmidt-Neuper方法计算得到外载荷与螺栓受力之间的三段线关系的。
8.根据权利要求6所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算装置,其特征在于,所述等效疲劳载荷计算模块是将螺栓疲劳载荷时序谱导入至Bladed软件中,并根据疲劳外载荷与螺栓拉力之间的三段线关系以及螺栓S/N曲线计算螺栓的等效疲劳载荷及对应的循环次数。
9.根据权利要求8所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算装置,其特征在于,所述的螺栓S/N曲线是根据EN 1993-1-9确定的。
10.根据权利要求6所述的L型法兰连接螺栓疲劳强度校核的计算装置,其特征在于,所述的等效疲劳应力计算模块是根据《机械设计手册》确定螺栓的应力面积,螺栓的等效疲劳应力为螺栓的等效疲劳载荷与螺栓的应力面积的比值。
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