CN107577846B - 一种风力发电机组机舱罩强度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，步骤如下：建立风力发电机组机舱罩的几何模型，包括机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件和钢部件；将风力发电机组机舱罩的几何模型导入有限元分析软件，定义机舱罩各部件的单元属性、材料属性和截面属性，建立风力发电机组机舱罩的有限元模型，并在该有限元模型中设置风速风向仪；对风力发电机组机舱罩的有限元模型施加约束边界；对风力发电机组机舱罩的有限元模型施加载荷，计算风力发电机组机舱罩的强度。本发明的技术方案中，风力发电机组机舱罩的有限元模型包括机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件和钢部件，还包括风速风向仪，模拟机舱罩的受力情况更加真实，对机舱罩强度的计算结果更加准确。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机组强度分析技术领域，具体涉及一种风力发电机组机舱罩强度确定方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，人们对能源的需求也在迅猛增长。然而受限于碳排放等环境因素，以及存储量的日益消耗，作为不可再生能源的化石能源的使用受到一定程度的限制，所以人们正在积极的寻找其它清洁无污染的可再生能源，以替代传统的化石能源。
风能、太阳能等清洁能源，越来越受到人们的重视，尤其是风能，由于国家政策的大力支持，近几年风电机组的国产化程度逐渐提高。为了保证风电机组设备的可靠性，需要对风力发电机组中的各部件的疲劳强度等性能进行分析。
机舱罩是风力发电机的外壳，对安装在机舱罩内的零部件起着安全防护作用，使其免受自然环境的影响和破坏，延长机组使用寿命，同时也为安装维护人员提供工作空间和防护。由于风机运行环境比较恶劣，机舱罩是保证风机正常运行的关键因素，因此分析机舱罩的强度至关重要。
2016年第6期的《风机技术》记载了一篇名称为“基于FEM风机发电机组机舱罩强度分析”的论文，该论文公开了一种通过建立风力发电机组机舱罩的有限元模型，对机舱罩强度进行分析的方法。但该方法建模时只考虑到机舱罩本身，而忽略了设置在机舱罩上的设备所造成的影响，例如风速风向仪的影响，简化了机舱罩所承受的载荷，无法反应机舱罩真实的受力情况，出现机舱罩的理论强度大于实际强度的现象，使计算结果出现偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，用于解决现有技术中在计算风力发电机组机舱罩强度时存在偏差的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，包括如下步骤：
(1)建立风力发电机组机舱罩的几何模型，包括机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件和钢部件；
(2)将风力发电机组机舱罩的几何模型导入有限元分析软件，定义机舱罩各部件的单元属性、材料属性和截面属性，建立风力发电机组机舱罩的有限元模型，并在该有限元模型中设置风速风向仪；
(3)对所述风力发电机组机舱罩的有限元模型施加约束边界；
(4)对所述风力发电机组机舱罩的有限元模型施加载荷，计算风力发电机组机舱罩的强度。
进一步的，所述风力发电机组机舱罩的有限元模型中，机舱罩的钢部件采用实体单元模拟，玻璃纤维增强塑料部件采用壳单元模拟，该壳单元的截面属性根据玻璃纤维增强塑料部件的实际厚度设置；风速风向仪采用质量单元模拟，风速风向仪与钢支撑间建立RBE3约束方程。
进一步的，所述风力发电机组机舱罩的有限元模型中，玻璃纤维增强塑料部件之间、玻璃纤维增强塑料部件与钢部件间采用绑定接触。
进一步的，风力发电机组机舱罩的有限元模型施加的约束边界，包括约束连接主机架及后机架的机舱罩弹性支撑的平移自由度，开放其转动自由度。
进一步的，对风力发电机组机舱罩有限元模型所施加的载荷包括重力载荷、活载荷和风载荷；
重力载荷：对风力发电机组机舱罩有限元模型施加重力加速度；
活载荷：在风力发电机组机舱罩有限元模型顶部、底板和其他适合行走的平台加载集中力或均布压力；
在风力发电机组机舱罩有限元模型底板或站立位置设定高度加载水平力；
在风力发电机组机舱罩有限元模型吊孔和护栏处施加集中力，力的方向沿着坠落的方向。
进一步的，所述对风力发电机组机舱罩的强度进行计算包括：
将活载荷和风载荷分别与重力载荷相组合，计算机舱罩的极限强度；
采用最大主应力对机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件进行评估，其顶层和底层采用材料最大许用弯曲应力作为准则，中间层采用最大许用拉伸应力作为准则；采用vonmises应力对机舱罩的钢部件进行评估，以屈服强度作为准则。
本发明的有益效果是：本发明所提供的技术方案，建立的风力发电机组机舱罩的有限元模型中不仅包括机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件和钢部件，还包括设置在机舱罩上的风速风向仪，因此模拟机舱罩的受力情况更加真实，对机舱罩强度的计算结果更加准确。
附图说明
图1为风力发电机组机舱罩的几何模型示意图；
图2为风力发电机组机舱罩边界约束位置图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，用于解决现有技术中在计算风力发电机组机舱罩强度时存在偏差的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，包括如下步骤：
(1)建立风力发电机组机舱罩的几何模型，包括机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件和钢部件；
(2)将风力发电机组机舱罩的几何模型导入有限元分析软件，定义机舱罩各部件的单元属性、材料属性和截面属性，建立风力发电机组机舱罩的有限元模型，并在该有限元模型中设置风速风向仪；
(3)对所述风力发电机组机舱罩的有限元模型施加约束边界；
(4)对所述风力发电机组机舱罩的有限元模型施加载荷，计算风力发电机组机舱罩的强度。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本实施例提供一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，其步骤如下：
(1)使用三维软件建立风力发电机组机舱罩的几何模型，如图1所示，包括玻璃纤维增强塑料GFRP部件1和钢部件2；
(2)删除上述机舱罩几何模型上倒角、螺栓孔等不影响刚度的小的特征，然后将其导入有限元软件，对其进行网格划分并定义机舱罩的单元属性、材料属性和截面属性，建立风力发电机组机舱罩的有限元模型，并在该有限元模型中设置节点，添加风速风向仪；
定义机舱罩的单元属性、材料属性和截面属性时，玻璃纤维增强塑料GFRP部件1采用壳单元模型，并根据玻璃纤维增强塑料GFRP部件的实际厚度，设置不同的部位壳单元的截面属性；钢部件2采用实体单元模拟，风速风向仪3采用质量单元模拟，风速风向仪3与钢支撑间建立RBE3约束方程，钢支撑为钢部件的一部分，是风速风向仪与钢部件的连接部分；玻璃纤维增强塑料GFRP部件和钢部件均设为各向同性材料，各玻璃纤维增强塑料部件之间、玻璃纤维增强塑料部件与钢部件间、各钢部件之间采用绑定接触；
(3)机舱罩通过弹性支撑与主机架和后机架相连，对机舱罩弹性支撑约束平移自由度，放开其转动自由度，如图2所示；
(4)对机舱罩分别施加重力载荷、活载荷及风载荷，其中
重力载荷：施加重力加速度，载荷安全系数为1.35；
活载荷：顶部、底板和适合行走的平台，加载3KN/m2的均布压力或在20cm╳20cm的范围内加载1.5KN的集中力，载荷安全系数为1.5；
在底板或站立高度1.1米处的水平位置，在20cm╳20cm的范围内加载1.5KN的水平力，载荷安全系数为1.5；
在吊孔和护栏处施加20KN的集中力，力的方向沿着可能发生坠落的方向，载荷安全系数为1.0；
风载荷：考虑2种工况，50年一遇阵风，电网失电偏航系统无法运行工况DLC6.2，及一年一遇阵风，电网失电但偏航有后备电源工况DLC7.1；风速为50年一遇极限阵风风速，安全系数为1.1；详细介绍可参考德国劳埃德船级社GL2010规范；
(5)计算机舱罩极限强度时，先计算分别只施加重力载荷、活载荷及风载荷时机舱罩的应力，将施加重力载荷的工况作为重力载荷工况，施加活载荷的工况作为活载荷工况，将施加风载荷的工况作为风载荷工况；然后把活载荷工况与重力载荷工况组合，风载荷工况与重力载荷工况组合，得到机舱罩的极限强度；
(6)对机舱罩的极限强度进行评估，其中玻璃纤维增强塑料GFRP部件采用最大主应力评估，其顶层和底层采用材料最大许用弯曲应力作为准则，其中间层采用最大许用拉伸应力作为准则；机舱罩的钢部件采用vonmises应力评估，以屈服强度作为准则。
Claims (4)
1.一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立风力发电机组机舱罩的几何模型，包括机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件和钢部件；
(2)将风力发电机组机舱罩的几何模型导入有限元分析软件，定义机舱罩各部件的单元属性、材料属性和截面属性，建立风力发电机组机舱罩的有限元模型，并在该有限元模型中设置风速风向仪；
(3)对所述风力发电机组机舱罩的有限元模型施加约束边界；
(4)对所述风力发电机组机舱罩的有限元模型施加载荷，计算风力发电机组机舱罩的强度；
所述风力发电机组机舱罩的有限元模型中，机舱罩的钢部件采用实体单元模拟，玻璃纤维增强塑料部件采用壳单元模拟，该壳单元的截面属性根据玻璃纤维增强塑料部件的实际厚度设置；风速风向仪采用质量单元模拟，风速风向仪与钢支撑间建立RBE3约束方程；
风力发电机组机舱罩的有限元模型施加的约束边界，包括约束连接主机架及后机架的机舱罩弹性支撑的平移自由度，开放其转动自由度。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，其特征在于，所述风力发电机组机舱罩的有限元模型中，玻璃纤维增强塑料部件之间、玻璃纤维增强塑料部件与钢部件间采用绑定接触。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，其特征在于，对风力发电机组机舱罩有限元模型所施加的载荷包括重力载荷、活载荷和风载荷；
重力载荷：对风力发电机组机舱罩有限元模型施加重力加速度；
活载荷：在风力发电机组机舱罩有限元模型顶部、底板和其他适合行走的平台加载集中力或均布压力；
在风力发电机组机舱罩有限元模型底板或站立位置设定高度加载水平力；
在风力发电机组机舱罩有限元模型吊孔和护栏处施加集中力，力的方向沿着坠落的方向。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组机舱罩强度确定方法，其特征在于，所述对风力发电机组机舱罩的强度进行计算包括：
将活载荷和风载荷分别与重力载荷相组合，计算机舱罩的极限强度；
采用最大主应力对机舱罩的玻璃纤维增强塑料部件进行评估，其顶层和底层采用材料最大许用弯曲应力作为准则，中间层采用最大许用拉伸应力作为准则；采用vonmises应力对机舱罩的钢部件进行评估，以屈服强度作为准则。
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