CN109241546B - 一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，首先建立风机塔筒连接法兰的有限元模型；然后在风机塔筒连接法兰的有限元模型中上法兰和下法兰连接的中心位置分别先后施加方向相反的疲劳极限载荷，并对疲劳极限工况下有限元模型进行非线性求解，得到连接法兰载荷与连接法兰表面设定方向上剪应力的关系；结合法兰位置的疲劳时序载荷谱，计算连接法兰的疲劳损伤值。由于本发明所提供的技术方案直接计算的是连接法兰的疲劳强度，并且施加疲劳极限载荷时，与引起连接法兰疲劳的实际应力相同，所以能够准确的计算出风机塔筒连接法兰的疲劳强度。

Description

一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法
技术领域
本发明属于风力发电设备性能检测技术领域，具体涉及一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法。
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，需要对风机中的各部件的疲劳强度等性能进行分析。
塔筒是风力发电机中的重要设备，塔筒上部分部件之间连接时需要采用法兰；如果连接法兰出现问题，不仅会对风力发电的性能造成影响，甚至会引发安全事故，因此为了保证风力发电的正常运行，需要风机塔筒连接法兰的疲劳强度进行校核。
计算风机塔筒连接法兰疲劳强度时最常用的是有限元分析法，但是，在现有的利用有限元分析法计算风机塔筒连接法兰疲劳强度的方法中，主要计算的是法兰连接螺栓的强度，而没有对连接法兰本身疲劳强度进行计算，因此不能计算出对整个发电机组造成的影响。并且在计算时普遍采用的是等效应力算法，无法准确反映出引起连接法兰疲劳的真实应力，得到的连接法兰疲劳强度不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，用于解决现有技术中对风机塔筒连接法兰疲劳强度计算不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，包括如下步骤：
(1)建立风机塔筒连接法兰的几何模型，该几何模型中包括连接法兰、上段塔筒、连接螺栓、垫圈和下段塔筒，连接法兰包括上法兰和下法兰；
(2)将风机塔筒连接法兰的几何模型导入有限元分析软件，并对其进行网格划分，设置各部件的属性和连接关系，建立风机塔筒连接法兰的有限元模型；
(3)在风机塔筒连接法兰的有限元模型中上法兰和下法兰连接的中心位置分别先后施加方向相反的疲劳极限载荷，并对各疲劳极限工况下有限元模型进行非线性求解，得到连接法兰载荷与连接法兰表面设定方向上剪应力的关系；
(4)结合法兰位置的疲劳时序载荷谱，计算连接法兰的疲劳损伤值，将该值与设定值比较，对连接法兰疲劳强度的校核。
进一步的，在风机塔筒连接法兰的有限元模型中连接法兰的中心位置建立节点，并将该节点与上段塔筒的顶部位置设置为通过刚性梁单元连接，其中上段塔筒、连接法兰、垫圈以及下段塔筒均采用实体单元进行网络划分，连接法兰外表面部分采用壳单元进行网格划分，所述上段塔筒与上法兰、下段塔筒与下法兰、垫圈与上下法兰之间均通过共节点方式进行连接，上法兰与下法兰之间的连接螺栓采用梁单元模拟，该梁单元的截面积与连接螺栓应力面积相等，数量为10-20；连接螺栓与垫圈之间采用刚性梁单元进行连接，上下法兰之间的结合面通过摩擦接触方式进行连接，摩擦系数为0.2。
进一步的，连接法兰采用实体单元进行网格划分，网格的尺寸为2-50mm；在实体单元表面设置壳单元网格，实体单元与壳单元之间通过共节点进行连接。
进一步的，在连接法兰施加疲劳载荷时，首先施加连接螺栓预紧力载荷，然后施加疲劳极限外载荷。
进一步的，根据连接法兰载荷与连接法兰表面各设定方向上剪应力的关系曲线以及法兰位置的疲劳时序载荷谱，通过线性插值方法，得到连接法兰在各临界平面下的剪应力谱；然后对连接法兰临界平面下的剪应力进行雨流计数，得到对应临界平面下的马科夫矩阵，再结合连接法兰的应力-寿命曲线，基于Miner线性累积损伤理论，计算出连接法兰的疲劳损伤值。
本发明的有益效果是：本发明提供的技术方案，首先建立包括连接法兰，以及风机塔筒连接法兰载荷传递路径上其它部件的有限元模型，然后施加疲劳极限载荷，结合法兰位置的疲劳时序载荷谱，计算出风机塔筒连接法兰的疲劳强度。由于本发明所提供的技术方案直接计算的是连接法兰的疲劳强度，并且施加疲劳极限载荷时，与引起连接法兰疲劳的实际应力相同，所以能够准确的计算出风机塔筒连接法兰的疲劳强度。
附图说明
图1为实施例中风机塔筒连接螺栓的有限元模型剖面示意图；
图2为实施例中法兰螺栓连接示意图；
图3为实施例中分步施加疲劳外载荷的示意图；
图4为实施例中连接法兰载荷与危险临界平面下剪应力的关系曲线；
图5为实施例中法兰的S/N曲线；
图中：1为刚性梁单元，2为上段塔筒，3为上法兰，4为下法兰，5为下段塔筒，6为刚性梁单元，7为垫圈，8为连接螺栓。
具体实施方式
本发明提供一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，用于解决现有技术中对风机塔筒连接法兰疲劳强度计算不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，包括如下步骤：
(1)建立风机塔筒连接法兰的几何模型，该几何模型中包括连接法兰、上段塔筒、连接螺栓、垫圈和下段塔筒，连接法兰包括上法兰和下法兰；
(2)将风机塔筒连接法兰的几何模型导入有限元分析软件，并对其进行网格划分，设置各部件的属性和连接关系，建立风机塔筒连接法兰的有限元模型；
(3)在风机塔筒连接法兰的有限元模型中上法兰和下法兰连接的中心位置分别先后施加方向相反的疲劳极限载荷，并对各疲劳极限工况下有限元模型进行非线性求解，得到连接法兰载荷与连接法兰表面设定方向上剪应力的关系；
(4)结合法兰位置的疲劳时序载荷谱，计算连接法兰的疲劳损伤值，将该值与设定值比较，对连接法兰疲劳强度的校核。
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机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，包括如下步骤：
(1)利用三维软件，建立风机塔筒连接法兰的几何模型，该几何模型如图1和图2所示，包括上法兰3，下法兰4，以及风机塔筒连接法兰载荷传递路径上的上段塔筒2，下段塔筒5，垫圈7和连接螺栓8；
(2)将风机塔筒连接法兰的几何模型导入有限元分析软件ANSYS中进行网格划分，建立风机塔筒连接法兰的有限元模型，具体流程如下：
在有限元分析软件中，上段塔筒2、上法兰3、下法兰4、下段塔筒5以及垫圈7采用六面体单元划分网格，上法兰3和下法兰4表面部分采用四边形壳单元进行网格划分，上段塔筒2与上法兰3、下段塔筒5与下法兰4、垫圈7与上法兰3、垫圈7与下法兰4之间均设置为通过共节点方式进行连接；连接螺栓8采用梁单元进行模拟，其与垫圈7之间设置为通过刚性梁单元进行连接；
上法兰和下法兰采用实体单元进行网格划分，并在两者表面设置一层较薄的壳单元网格，实体单元和壳单元的网格尺寸均设置为2-50mm；
法兰的连接螺栓8采用梁单元进行模拟，本实施例中采用10个梁单元模拟连接螺栓8，各梁单元的截面积与对应连接螺栓的应力面积相等；
在风机塔筒连接法兰的有限元模型中，各部件的具体设置如表1所示；
表1
Figure BDA0001346211880000041
(3)设置风机塔筒连接法兰有限元模型中各部件的连接结构，载荷传递和边界条件；
在上法兰3和下法兰4接合面的中心位置建立节点，并将该节点与上段塔筒2通过刚性梁单元1连接起来，以模拟上段塔筒2传递载荷；上法兰3与下法兰4之间的设置为通过摩擦接触方式进行连接，两者之间的摩擦系数设置为0.2；
(4)以上法兰3和下法兰4接合面的中心节点为原点，上段塔筒2与下段塔筒5延伸的方向为Z轴建立X轴，Y轴和Z轴的三维坐标系，在原点Y轴的正向和负向两个方向上施加疲劳极限载荷，并在这两个疲劳极限工况下，对风机塔筒连接法兰的有限元模型进行非线性求解；为了考虑法兰连接螺栓的预紧力效应，对这两个疲劳极限工况进行非线性求解时，分两个步骤进行计算，第一步施加连接螺栓预紧力载荷，第二步施加疲劳极限外载荷，施加疲劳极限外载荷时分为5个子步进行，假设极限疲劳外载荷My＝1000Nm，则各步骤与对应载荷之间的关系如图3所示，5个子步骤分别为：第一个子步施加的载荷从0逐步增加到200Nm，第二个子步载荷从200Nm逐步增加到400Nm，第三个子步载荷从400Nm逐步增加到600Nm，第四个子步载荷从600Nm逐步增加到800Nm，第五个子步载荷从800Nm逐步增加到1000Nm，从而得到当载荷逐步变化时，追踪得到法兰各个位置对应的应力的变化规律；根据各载荷步骤的计算结果，能够得到当疲劳载荷由负向极值变化到正向极值时，连接法兰各临界平面下剪应力的响应曲线；本实施例得到的连接法兰危险临界平面下载荷-剪应力的响应曲线如图4所示；
由于法兰表面受力状态为二向应力状态，因此采用在法兰表面设置一层壳单元，以便提取该二向应力状态下的三个应力分量σx，σy和τxy，然后采用下列公式计算法兰表面壳单元在不同方向下的剪应力值，也就是法兰表面壳单元在不同角度下的剪应力值：
Figure BDA0001346211880000051
式中t表示时间，由于疲劳载荷是一系列随时间变化的载荷，因此式中的τxy(t,θ)含义为t时刻下，壳单元在角度θ对应平面上的剪应力；σx(t,0)、σy(t,0)表示t时刻下，壳单元在0°对应平面上的x及y方向正应力；τxy(t,0)表示t时刻下，壳单元在0°对应平面上的xy平面的剪应力。
上式中，通常θ每个10°取一个数值，即θ＝0°、10°、20°、30°……170°、180°，共分为18个平面，从而得到了各个方向下的剪应力值，然后用这些各个方向下的剪应力值分别进行疲劳计算，并采用这些结果进行疲劳强度评估。上述分不同方向(也称为角度)进行疲劳疲劳计算的方法被称为临界平面法，上述的“各临界平面”指的就是各个角度下的方向；
(5)根据连接法兰载荷与各临界平面下剪应力的关系曲线以及法兰位置的疲劳时序载荷谱，通过线性插值方法，得到法兰各临界平面下的剪应力谱；然后对法兰各临界平面下的剪应力谱进行雨流计数可得到对应临界平面下的马科夫矩阵，结合法兰的应力-寿命曲线，基于Miner线性累积损伤理论，可计算连接法兰的疲劳损伤值，将该值与1比较即可校核连接法兰疲劳强度；法兰的S/N曲线可根据GL2010规范拟合得到，如图5所示。

Claims (5)

1.一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立风机塔筒连接法兰的几何模型，该几何模型中包括连接法兰、上段塔筒、连接螺栓、垫圈和下段塔筒，连接法兰包括上法兰和下法兰；
(2)将风机塔筒连接法兰的几何模型导入有限元分析软件，并对其进行网格划分，设置各部件的属性和连接关系，建立风机塔筒连接法兰的有限元模型；
(3)在风机塔筒连接法兰的有限元模型中上法兰和下法兰连接的中心位置分别先后施加方向相反的疲劳极限载荷，并对各疲劳极限工况下有限元模型进行非线性求解，得到连接法兰载荷与连接法兰表面设定方向上剪应力的关系；
(4)结合法兰位置的疲劳时序载荷谱，计算连接法兰的疲劳损伤值，将该值与设定值比较，对连接法兰疲劳强度的校核。
2.根据权利要求1所述的一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，其特征在于，在风机塔筒连接法兰的有限元模型中连接法兰的中心位置建立节点，并将该节点与上段塔筒的顶部位置设置为通过刚性梁单元连接，其中上段塔筒、连接法兰、垫圈以及下段塔筒均采用实体单元进行网络划分，连接法兰外表面部分采用壳单元进行网格划分，所述上段塔筒与上法兰、下段塔筒与下法兰、垫圈与上下法兰之间均通过共节点方式进行连接，上法兰与下法兰之间的连接螺栓采用梁单元模拟，该梁单元的截面积与连接螺栓应力面积相等，数量为10-20；连接螺栓与垫圈之间采用刚性梁单元进行连接，上法兰与下法兰之间的结合面通过摩擦接触方式进行连接，摩擦系数为0.2。
3.根据权利要求1所述的一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，其特征在于，连接法兰采用实体单元进行网格划分，网格的尺寸为2-50mm；在实体单元表面设置壳单元网格，实体单元与壳单元之间通过共节点进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，其特征在于，在连接法兰施加疲劳载荷时，首先施加连接螺栓预紧力载荷，然后施加疲劳极限外载荷。
5.根据权利要求1所述的一种风机塔筒连接法兰疲劳强度的校核方法，其特征在于，根据连接法兰载荷与连接法兰表面各设定方向上剪应力的关系曲线以及法兰位置的疲劳时序载荷谱，通过线性插值方法，得到连接法兰在各临界平面下的剪应力谱；然后对连接法兰临界平面下的剪应力进行雨流计数，得到对应临界平面下的马科夫矩阵，再结合连接法兰的应力-寿命曲线，基于Miner线性累积损伤理论，计算出连接法兰的疲劳损伤值。
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