CN109726412B - 一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法，是针对现有技术的不足，提出了一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法。该方法不仅适用风电塔架法兰的连接螺栓，也适用于任意的法兰螺栓连接结构，计算更精确。其特征在于：它包括生成求解文件、得到每个螺栓所受应力与六个载荷分量间的关系式、计算螺栓疲劳损伤。本发明除了可以对风机塔筒法兰连接螺栓进行计算外，可以对任意结构形式的法兰连接螺栓进行计算，适用范围很广。本发明考虑了所有载荷分量对螺栓疲劳寿命的影响，所取得的螺栓所受应力和载荷之间的关系更准确。本发明理论原理清晰，过程简单，便于实施，计算结果精度更高。

Description

一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法。
背景技术
目前风力发电机组塔架多采用全钢塔架和混凝土塔筒——钢塔组成的混合塔架两种形式，全钢塔架和混合塔架的钢塔部分由钢制塔筒构成，各段钢制塔筒间通过钢制法兰和高强螺栓进行连接。法兰连接螺栓的安全与否直接关系到整个机组的生死存亡。法兰连接螺栓的疲劳强度校核工程上普遍采用基于Petersen方法的Schmidt-Neuper方法进行校核，由于Petersen方法中没有考虑预紧力对螺栓变形的影响、没有考虑弯矩对螺栓的影响、只适用于L型和T型法兰连接，Petersen方法对螺栓的计算采用较大的安全系数来弥补理论缺陷。
Schmidt-Neuper方法基于Petersen方法对螺栓极限强度校核结果基础上，只考虑My和Fz两个载荷分量对螺栓应力的影响来计算螺栓的疲劳损伤，又进一步加大了计算误差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法。该方法不仅适用风电塔架法兰的连接螺栓，也适用于任意的法兰螺栓连接结构，计算更精确。
本发明是这样实现的：
一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法，包括如下步骤：
步骤一：将法兰连接结构的装配体在Hypermesh软件中进行处理，建立有限元建模，其中与法兰连接的塔筒假体且长度不小于法兰外径的两倍，上法兰和下法兰间设置为摩擦接触关系，高强垫圈与上法兰之间和高强垫圈与下法兰之间均设置为摩擦接触关系，高强垫圈与螺栓的螺母之间和高强垫圈与螺栓的螺帽之间采用绑定接触方式进行连接，下法兰一侧的塔筒假体设置固定边界约束条件，上法兰一侧的塔筒假体设置MPC约束，在上、下法兰结合面中心分别施加Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的单位载荷，生成六个求解文件，所施加的单位载荷的单位与法兰中心的时序载荷的单位一致；
步骤二：将求解文件提交Abaqus进行计算，对螺栓进行编号，并提取每个载荷分量下各个螺栓的应力，根据同一个螺栓在六个载荷分量下各自的应力结果，写出每个螺栓所受应力与六个载荷分量间的关系式；
步骤三：在Bladed软件中将上法兰和下法兰结合面中心的时序载荷代入步骤二中螺栓所受应力与的六个载荷分量间的关系式，得出每个螺栓所受应力与时间之间的关系，然后采用Bladed软件进行雨流计数和损伤累积计算，得到每个螺栓的疲劳损伤。
如上所述的步骤二中，每个螺栓所受应力与六个载荷分量间的关系式为：
σ＝Fx*σFx+Fy*σFy+Fz*σFz+Mx*σMx+My*σMy+Mz*σMz
其中：σ是螺栓所受应力，
Fx为载荷分量，σFx为Fx作用下螺栓所受应力，
Fy为载荷分量，σFy为Fx作用下螺栓所受应力，
Fz为载荷分量，σFz为Fx作用下螺栓所受应力，
Mx为载荷分量，σMx为Fx作用下螺栓所受应力，
My为载荷分量，σMy为Fx作用下螺栓所受应力，
Mz为载荷分量，σMz为Fx作用下螺栓所受应力。
本发明的有益效果是：
本发明除了可以对风机塔筒法兰连接螺栓进行计算外，可以对任意结构形式的法兰连接螺栓进行计算，适用范围很广。本发明考虑了所有载荷分量对螺栓疲劳寿命的影响，所取得的螺栓所受应力和载荷之间的关系更准确。本发明理论原理清晰，过程简单，便于实施，计算结果精度更高。
附图说明
图1是本发明中法兰的连接结构示意图。
图中：1.螺母，2.螺栓，3.高强垫圈，4.上法兰，5.下法兰，6.塔筒假体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
本实施例中利用Hypermesh进行有限元前处理操作，利用Abaqus进行单位载荷求解，利用Bladed软件进行雨流计数以及损伤累积计算。
一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法，包括如下步骤：
步骤一：将法兰连接结构的装配体在Hypermesh软件中进行处理，建立有限元建模，其中与法兰连接的塔筒假体且长度不小于法兰外径的两倍，上法兰和下法兰间设置为摩擦接触关系，高强垫圈与上法兰之间和高强垫圈与下法兰之间均设置为摩擦接触关系，高强垫圈与螺栓的螺母之间和高强垫圈与螺栓的螺帽之间采用绑定接触方式进行连接，下法兰一侧的塔筒假体设置固定边界约束条件，上法兰一侧的塔筒假体设置MPC约束，在上、下法兰结合面中心分别施加Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的单位载荷，生成六个求解文件，所施加的单位载荷的单位与法兰中心的时序载荷的单位一致；
步骤二：将求解文件提交Abaqus进行计算，对螺栓进行编号，并提取每个载荷分量下各个螺栓的应力，根据同一个螺栓在六个载荷分量下各自的应力结果，写出每个螺栓所受应力与六个载荷分量间的关系式；
步骤三：在Bladed软件中将上法兰和下法兰结合面中心的时序载荷代入步骤二中螺栓所受应力与的六个载荷分量间的关系式，得出每个螺栓所受应力与时间之间的关系，然后采用Bladed软件进行雨流计数和损伤累积计算，得到每个螺栓的疲劳损伤。
如上所述的步骤二中，每个螺栓所受应力与六个载荷分量间的关系式为：
σ＝Fx*σFx+Fy*σFy+Fz*σFz+Mx*σMx+My*σMy+Mz*σMz
其中：σ是螺栓所受应力，
Fx为载荷分量，σFx为Fx作用下螺栓所受应力，
Fy为载荷分量，σFy为Fx作用下螺栓所受应力，
Fz为载荷分量，σFz为Fx作用下螺栓所受应力，
Mx为载荷分量，σMx为Fx作用下螺栓所受应力，
My为载荷分量，σMy为Fx作用下螺栓所受应力，
Mz为载荷分量，σMz为Fx作用下螺栓所受应力。
上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (2)

1.一种法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法，包括如下步骤：
步骤一：将法兰连接结构的装配体在Hypermesh软件中进行处理，建立有限元建模，其中与法兰连接的塔筒假体(6)且长度不小于法兰外径的两倍，上法兰(4)和下法兰(5)间设置为摩擦接触关系，高强垫圈(3)与上法兰(4)之间和高强垫圈(3)与下法兰(5)之间均设置为摩擦接触关系，高强垫圈(3)与螺栓(2)的螺母(1)之间和高强垫圈与螺栓(2)的螺帽之间采用绑定接触方式进行连接，下法兰(5)一侧的塔筒假体(6)设置固定边界约束条件，上法兰(4)一侧的塔筒假体(6)设置MPC约束，在上、下法兰结合面中心分别施加Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的单位载荷，生成六个求解文件，所施加的单位载荷的单位与法兰结合面中心的时序载荷的单位一致；
步骤二：将求解文件提交Abaqus进行计算，对螺栓(2)进行编号，并提取每个载荷分量下各个螺栓(2)的应力，根据同一个螺栓(2)在六个载荷分量下各自的应力结果，写出每个螺栓(2)所受应力与六个载荷分量间的关系式；
步骤三：在Bladed软件中将上法兰(4)和下法兰(5)结合面中心的时序载荷代入步骤二中螺栓(2)所受应力与的六个载荷分量间的关系式，得出每个螺栓(2)所受应力与时间之间的关系，然后采用Bladed软件进行雨流计数和损伤累积计算，得到每个螺栓的疲劳损伤。
2.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓疲劳强度的校核方法，其特征在于：所述的步骤二中，每个螺栓(2)所受应力与六个载荷分量间的关系式为：
σ＝Fx*σFx+Fy*σFy+Fz*σFz+Mx*σMx+My*σMy+Mz*σMz
其中：σ是螺栓所受应力，
Fx为载荷分量，σFx为Fx作用下螺栓所受应力，
Fy为载荷分量，σFy为Fx作用下螺栓所受应力，
Fz为载荷分量，σFz为Fx作用下螺栓所受应力，
Mx为载荷分量，σMx为Fx作用下螺栓所受应力，
My为载荷分量，σMy为Fx作用下螺栓所受应力，
Mz为载荷分量，σMz为Fx作用下螺栓所受应力。
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