CN107742045B - 一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，首先，在Solidworks软件中建立实际的吊装三维模型，然后在Workbench中进行模型简化和在Hypermesh中建立有限元计算模型；最后在ANSYS中进行装配、参数设置、加载计算和后处理，分析吊座和螺栓的应力并校核其安全性。本发明方法采用有限元计算，不仅考虑了吊具的刚度对受力分布的影响以及吊具局部结构的受力状态，而且对受力最危险的焊缝也进行强度分析；此外，还充分考虑了由于偏载导致的结合面部分开孔及滑移对螺栓受力的影响；因此，本发明方法能更准确直观地反映吊座和螺栓在吊装过程中的实际受力状态，从而提高吊装作业的可靠性和安全性。

Description

一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法

技术领域

本发明涉及风电重型设备的技术领域，尤其是指一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法。

背景技术

近年来，随着风电技术的日臻成熟，我国的风电行业进入了高速发展期，已成为引领未来新能源的一大领域。风力发电机组是一个非常大型的设备，整机重量通常以百吨计，因此，其各大部件在吊装过程中的安全性显得尤为重要。

风力发电机组的吊装作业主要包括塔筒的吊装、主机的吊装以及叶轮系统的吊装等，对不同的吊装作业都会设计专用的吊具，通过高强度螺栓与吊装目标相连接，再通过相应的起重设备进行吊装作业。为了保证吊装过程中的可靠性和安全性，需要校核吊座、连接螺栓等的强度(卸扣、吊钩、钢丝绳及起重设备则可通过吊重直接选型，不需要再进行强度计算)。

目前行业内对吊装吊具的强度计算均采用工程算法，对于吊座的强度计算，工程算法仅通过计算吊耳耳孔附近的挤压强度和剪切强度来判断吊座的安全性，不考虑吊具的刚度对受力分布的影响以及吊具局部结构的受力状态。对于螺栓的强度计算，工程算法则认为每颗螺栓是均匀受力的，且只受拉力和剪力，不考虑弯矩，同时，工程算法并不能充分考虑由于偏载导致的结合面部分开孔、滑移对螺栓受力的影响。显然，吊座和螺栓的强度计算完全采用工程算法，计算结果偏于乐观，是不合理的，由于吊座是由许多钢板通过焊接工艺拼接的，各块钢板间的焊缝是吊座受力最危险部位，因此，对焊缝进行强度分析是非常必要的。另外，螺栓在吊装过程中并不是垂直的，且施加的预紧力会不足，导致螺栓在吊装过程中会受很大的弯矩，且每颗螺栓也不是均匀受力的，因此，不能通过简单的平均方法进行螺栓的强度计算，还需要考虑弯矩的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，该方法采用有限元计算，不仅考虑了吊具的刚度对受力分布的影响以及吊具局部结构的受力状态，而且对受力最危险的焊缝也进行强度分析；此外，还充分考虑了由于偏载导致的结合面部分开孔及滑移对螺栓受力的影响；因此，该方法能更准确直观地反映吊座和螺栓在吊装过程中的实际受力状态，从而提高吊装作业的可靠性和安全性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，首先，在Solidworks软件中建立实际的吊装三维模型，然后在Workbench中进行模型简化和在Hypermesh中建立有限元计算模型；最后在ANSYS中进行装配、参数设置、加载计算和后处理，分析吊座和螺栓的应力并校核其安全性；其包括以下步骤：

1)在Solidworks软件中建立实际的吊装三维实体模型；

2)将三维实体装配模型导入到Workbench中进行模型简化，将不必要的特征和附属部件删除；

3)将简化后的实体模型导入到Hypermesh中进行网格划分，建立有限元计算模型；

4)将有限元计算模型导入到ANSYS中进行装配、参数设置、加载和求解；

5)将计算结果导入到ANSYS中进行后处理，分析吊座和螺栓的应力并校核其安全性。

在步骤1)中，只需建立吊座、螺栓及被连接件的实体装配模型，其它附属部件可以忽略，但加载时需要考虑它们的质量。

在步骤2)中，进行模型简化时，可以将倒角、螺栓孔等特征删除，将细小的面进行合并，有利于获取较好的网格质量。

在步骤3)中，进行网格划分时，吊座采用高阶六面体单元划分，被连接件采用低阶四面体单元划分，连接螺栓则采用beam188单元模拟，同时用link8单元以及beam4单元模拟螺纹的啮合关系。

在步骤4)中，将有限元模型装配好后，设置各部件的材料属性，建立接触关系和约束条件，施加载荷并求解计算。

在步骤5)中，对计算结果进行后处理分析，对于吊座，可以通过查看应力云图的von Mises应力得到其最大应力，如果最大应力位于吊耳耳孔内侧、加强筋焊缝尖角处、接触面上或螺栓孔边缘周围，则可以先忽略，因为这些位置都是应力失真或是应力集中的位置，需要用工程算法或焊缝插值方法进行另外的校核，剔除这些单元后，吊座静强度安全系数公式为：

式中，[σ]为吊座的许用应力，σ为吊座的应力；

对于螺栓，吊装时螺栓会受拉力、剪力及弯矩，根据VDI 2230标准，采用拉剪相互作用原理对螺栓进行校核，在有限元结果中提取出螺栓的轴向应力(考虑弯曲应力)和剪切应力，螺栓强度安全系数计算公式为：

式中，σ_Smax为螺栓所受的轴向应力，σ_Szul螺栓的许用轴向应力，σ_Qmax为螺栓所受的剪切应力，σ_Qzul为螺栓的许用剪切应力；

对于焊缝，在尖角过渡区域，会产生无限的理论应力，造成较大的应力奇异。可根据ⅡW标准，对此类区域的应力采用应力外推得到。距焊根0.5t与1.5t处为应力外推点(t为焊接两板中较薄板的厚度)，通过下面公式得到焊缝处的应力：

σ₀＝1.5σ_0.5-0.5σ_1.5

式中，σ_0.5为距焊根0.5t位置处的应力，σ_1.5为距焊根1.5t位置处的应力；

对于吊座耳孔，由于在计算时通过MPC接触约束了吊耳孔内表面，与实际吊装时的约束有偏差，导致耳孔附近应力失真，故需采用工程算法对吊耳进行挤压强度和剪切强度校核；

吊座耳孔挤压应力根据公式：

挤压强度安全系数：

式中，F为吊耳受到的拉力，D为耳孔直径，t为耳孔的长度，[σ]为许用挤压强度；

吊座耳孔剪切应力根据公式：

剪切强度安全系数：

式中，F为吊耳受到的拉力，D为耳孔直径，t为耳孔的长度，R为耳孔外圆半径，[τ]为许用剪切强度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、风力发电机组吊装吊具的强度采用本发明的有限元计算方法后，就能通过结合科学的仿真方法来全面分析吊具的安全性和可靠性，能更准确地反映吊具在吊装过程中的实际受力状态和变形趋势，让设计人员和使用人员对该吊具在吊装过程中的强度性能更加清楚，也可以避免由于受力状态考虑不周及计算不完善导致的吊装安全事故。

2、通过采用有限元的计算方法，还可以根据各个部位的受力情况来进行吊具的优化，包括吊座的结构优化和螺栓的规格数目优化等。

3、本发明方法在很大程度上弥补了传统工程算法的缺陷与不足，具有精确度高、可靠性强、适用范围广等特点，值得推广于重型设备吊装领域或其他行业领域。

附图说明

图1为简化后的叶轮系统吊装三维实体模型图。

图2为有限元计算模型局部细节图。

图3为吊座的von Mises应力云图。

图4为吊座尺寸参数图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以明阳MySE5.5-155风力发电机组叶轮系统吊装吊具强度计算为例，采用本发明的强度有限元计算方法对吊具和螺栓进行强度校核，其具体实施过程如下：

1)在Solidworks软件中建立实际的吊装三维实体模型，只需建立吊座、螺栓及轮毂装配模型，如图1所示，其它附属部件可以忽略，但加载时需要考虑它们的质量，叶轮系统总重200000kg，由两个吊座及20颗10.9级的M48高强度螺栓进行吊装作业。

2)将三维实体装配模型导入到Workbench软件中进行模型简化，将不必要的特征和附属部件删除，比如将倒角、螺栓孔等特征删除，将细小的面进行合并，有利于获取较好的网格质量。

3)将简化后的实体模型导入到Hypermesh软件中进行网格划分，吊座采用高阶六面体单元划分，被连接件采用低阶四面体单元划分，连接螺栓则采用beam188单元模拟，同时用link8单元以及beam4单元模拟螺纹的啮合关系，并在螺纹啮合起始处建立2mm的单元，用于提取单元应力，有限元计算模型局部细节图如图2所示。

4)将有限元计算模型导入到ANSYS经典界面中进行装配，按要求设置各部件的材料属性。在吊座与轮毂吊装凸台之间建立标准接触，在吊座耳孔中心分别建立一个节点，并与耳孔上半表面节点进行MPC接触，约束该节点所有自由度。在叶轮系统重心位置建立节点，并与轮毂的三个叶根安装面进行MPC接触。在重心处施加叶轮系统的重力，需考虑2.23倍的载荷安全系数。

5)将计算结果导入到ANSYS中进行后处理，分析吊座和螺栓的应力并校核其安全性。

本实例仅分析竖直起吊工况下的强度校核。

对于吊座，可以通过查看应力云图的von Mises应力得到其最大应力(吊座耳孔内表面单元应力失真，已忽略，后续用工程算法进行校核)，如图3所示，最大应力为217MPa，故吊座静强度安全系数根据公式：

式中，[σ]为吊座的许用应力，σ为吊座的应力。

对于螺栓，根据VDI 2230标准，采用拉剪相互作用原理对螺栓进行校核，在有限元结果中提取出beam188单元模拟螺栓的轴向应力(考虑弯曲应力)和剪切应力(可通过ETABLE命令提取)，螺栓的强度安全系数计算公式为：

式中，σ_Smax为螺栓所受的轴向应力，σ_Szul螺栓的许用轴向应力，σ_Qmax为螺栓所受的剪切应力，σ_Qzul为螺栓的许用剪切应力。

对于吊座耳孔，采用工程算法对吊耳进行挤压强度和剪切强度校核。吊座尺寸参数如图4所示，耳孔孔径D＝114mm，耳孔外径R＝200mm，厚度t＝100mm。

每个吊座所受的拉伸载荷：

式中，G为叶轮系统重力，g为重力加速度。

吊座耳孔挤压应力根据公式：

挤压强度安全系数：

式中，F为吊耳受到的拉力，D为耳孔直径，t为耳孔的长度，[σ]为许用挤压强度。

吊座耳孔剪切应力根据公式：

剪切强度安全系数：

式中，F为吊耳受到的拉力，D为耳孔直径，t为耳孔的长度，R为耳孔外圆半径，[τ]为许用剪切强度。

由以上分析可知，吊具及其连接螺栓强度均满足要求，可进行此次叶轮系统吊装作业。因此，采用本发明的强度有限元计算方法进行吊装吊具的强度计算，通过查看应力云图和变形云图，能使吊座在吊装作业过程中的受力状况一目了然，对螺栓的强度计算也充分考虑了弯矩的影响，与实际更加贴合，计算结果更加精确，很大程度上弥补了传统工程算法的缺陷与不足，值得推广于重型设备吊装领域或其他行业领域。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，其特征在于：首先，在Solidworks软件中建立实际的吊装三维模型，然后在Workbench中进行模型简化和在Hypermesh中建立有限元计算模型，最后在ANSYS中进行装配、参数设置、加载计算和后处理，分析吊座和螺栓的应力并校核其安全性；其包括以下步骤：

1)在Solidworks软件中建立实际的吊装三维实体模型；

2)将三维实体装配模型导入到Workbench中进行模型简化，将不必要的特征和附属部件删除；

3)将简化后的实体模型导入到Hypermesh中进行网格划分，建立有限元计算模型；

4)将有限元计算模型导入到ANSYS中进行装配、参数设置、加载和求解；

5)将计算结果导入到ANSYS中进行后处理，分析吊座和螺栓的应力并校核其安全性，具体如下：

对计算结果进行后处理分析，对于吊座，通过查看应力云图的von Mises应力得到其最大应力，如果最大应力位于吊耳耳孔内侧、加强筋焊缝尖角处、接触面上或螺栓孔边缘周围，则能够先忽略，因为这些位置都是应力失真或是应力集中的位置，需要用工程算法或焊缝插值方法进行另外的校核，剔除这些单元后，吊座静强度安全系数公式为：

式中，[σ]为吊座的许用应力，σ为吊座的应力；

对于螺栓，吊装时螺栓会受拉力、剪力及弯矩，根据VDI 2230标准，采用拉剪相互作用原理对螺栓进行校核，在有限元结果中提取出螺栓的轴向应力和剪切应力，螺栓强度安全系数计算公式为：

式中，σ_Smax为螺栓所受的轴向应力，σ_Szul螺栓的许用轴向应力，σ_Qmax为螺栓所受的剪切应力，σ_Qzul为螺栓的许用剪切应力；

对于焊缝，在尖角过渡区域，会产生无限的理论应力，造成应力奇异；根据ⅡW标准，对此类区域的应力采用应力外推得到，距焊根0.5t与1.5t处为应力外推点，t为焊接两板中较薄板的厚度，通过下面公式得到焊缝处的应力：

σ₀＝1.5σ_0.5-0.5σ_1.5

式中，σ_0.5为距焊根0.5t位置处的应力，σ_1.5为距焊根1.5t位置处的应力；

对于吊座耳孔，由于在计算时通过MPC接触约束了吊耳孔内表面，与实际吊装时的约束有偏差，导致耳孔附近应力失真，故需采用工程算法对吊耳进行挤压强度和剪切强度校核；

吊座耳孔挤压应力根据公式：

挤压强度安全系数：

式中，F为吊耳受到的拉力，D为耳孔直径，t为耳孔的长度，[σ]′为许用挤压强度；

吊座耳孔剪切应力根据公式：

剪切强度安全系数：

式中，F为吊耳受到的拉力，D为耳孔直径，t为耳孔的长度，R为耳孔外圆半径，[τ]为许用剪切强度。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，其特征在于：在步骤1)中，只需建立吊座、螺栓及被连接件的实体装配模型，其它附属部件可以忽略，但加载时需要考虑它们的质量。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，其特征在于：在步骤2)中，进行模型简化时，将倒角、螺栓孔特征删除，将细小的面进行合并，利于获取更好的网格质量。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，其特征在于：在步骤3)中，进行网格划分时，吊座采用高阶六面体单元划分，被连接件采用低阶四面体单元划分，连接螺栓则采用beam188单元模拟，同时用link8单元以及beam4单元模拟螺纹的啮合关系。

5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组吊装吊具的强度有限元计算方法，其特征在于：在步骤4)中，将有限元模型装配好后，设置各部件的材料属性，建立接触关系和约束条件，施加载荷并求解计算。

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