CN113011069A - 一种风电机组主轴受力分析方法及系统 - Google Patents

一种风电机组主轴受力分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电机组主轴受力分析方法及系统，包括以下步骤：构建风机主轴的主轴数字模型，对风机主轴进行网格划分；分析风机主轴所受载荷情况，通过条件模拟分析模型分析风机主轴的力场分布情况；对风机主轴进行静应力分析、动应力分析及断裂扩散分析，再根据风机主轴的受力情况、固有频率及模态变化对风机主轴进行安全性分析，以确定风机主轴裂纹损伤的原因，完成风电机组主轴的受力分析，该方法及系统能够对风电主轴的受力进行分析。

Description

一种风电机组主轴受力分析方法及系统
技术领域
本发明属于风电机组检测领域，涉及一种风电机组主轴受力分析方法及系统。
背景技术
在风电领域，主轴是连接叶片和底座的重要传动固件，是整个风电机组的核心部件之一，安全性直接关系到整个风机的安全运行。风电主轴一般采用中空式结构，不锈钢材质进行制造，容易产生开裂。近年来华能阜新阜北风电场、华电山东肥城风电场等均出现了风机主轴断裂事故，直接导致叶片、变桨系统、轮毂折损，带来较大经济损失。
为避免风电主轴裂纹事故的发生，需分析风电主轴的受力情况，寻找薄弱部位，确定应力、应变最大的区域，以作为后期裂纹检测和转轮维护保养的依据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种风电机组主轴受力分析方法及系统，该方法及系统能够对风电主轴的受力进行分析。
为达到上述目的，本发明所述的风电机组主轴受力分析方法包括以下步骤：
构建风机主轴的主轴数字模型，对风机主轴进行网格划分；
分析风机主轴所受载荷情况，通过条件模拟分析模型分析风机主轴的力场分布情况；
对风机主轴进行静应力分析、动应力分析及断裂扩散分析，再根据风机主轴的受力情况、固有频率及模态变化对风机主轴进行安全性分析，以确定风机主轴裂纹损伤的原因，完成风电机组主轴的受力分析。
对风机主轴进行静应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静载荷，再根据对主轴数字模型施加静载荷的结果对风机主轴进行静应力分析。
对风机主轴进行动应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加动载荷，然后对主轴数字模型进行模态分析，以求解固有频率。
对风机主轴进行断裂扩散分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静止疲劳载荷，以评估风机主轴的静止疲劳寿命，然后对主轴数字模型施加旋转疲劳载荷，以评估风机主轴的旋转疲劳寿命。
基于风机主轴的结构尺寸以及主轴上各轴段之间的轴肩、圆角及倒角，构建风机主轴的主轴数字模型。
一种风电机组主轴受力分析系统包括：
建模模块；用于构建风机主轴的主轴数字模型，对风机主轴进行网格划分；
力场分析模块；用于分析风机主轴所受载荷情况，通过条件模拟分析模型分析风机主轴的力场分布情况；
受力分析模块，用于对风机主轴进行静应力分析、动应力分析及断裂扩散分析，再根据风机主轴的受力情况、固有频率及模态变化对风机主轴进行安全性分析，以确定风机主轴裂纹损伤的原因，完成风电机组主轴的受力分析。
对风机主轴进行静应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静载荷，再根据对主轴数字模型施加静载荷的结果对风机主轴进行静应力分析。
对风机主轴进行动应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加动载荷，然后对主轴数字模型进行模态分析，以求解固有频率。
对风机主轴进行断裂扩散分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静止疲劳载荷，以评估风机主轴的静止疲劳寿命，然后对主轴数字模型施加旋转疲劳载荷，以评估风机主轴的旋转疲劳寿命。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的风电机组主轴受力分析方法及系统在具体操作时，对风机主轴进行静应力分析、动应力分析及断裂扩散分析，再根据风机主轴的受力情况、固有频率及模态变化对风机主轴进行安全性分析，以确定风机主轴裂纹损伤的原因，从而寻找风机主轴的薄弱部位，为检测、检修、保养以及设计改型提供依据，操作简单、结果可靠，具有工程使用价值。
附图说明
图1为本发明的风电主轴的受力分析流程图；
图2为本发明的静应力分析流程图；
图3为本发明的动应力分析流程图；
图4为本发明的断裂扩散分析流程图；
图5应力计算关键位置标识图；
图6为本发明的静应力分析结果图；
图7a为风机主轴第1阶模态振型图；
图7b为风机主轴第2阶模态振型图；
图7c为风机主轴第3阶模态振型图；
图7d为风机主轴第4阶模态振型图；
图7e为风机主轴第5阶模态振型图；
图7f为风机主轴第6阶模态振型图；
图8为静止疲劳载荷风机主轴寿命等值线图；
图9为本发明的旋转疲劳载荷主轴寿命等值线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的风电机组主轴受力分析方法包括以下步骤：
构建风机主轴的主轴数字模型，其中，基于风机主轴的结构尺寸以及主轴上各轴段之间的轴肩、圆角及倒角，构建风机主轴的主轴数字模型，再对风机主轴进行网格划分；
分析风机主轴所受载荷情况，通过条件模拟分析模型分析风机主轴的力场分布情况；
对风机主轴进行静应力分析、动应力分析及断裂扩散分析，再根据风机主轴的受力情况、固有频率及模态变化对风机主轴进行安全性分析，以发现风机主轴裂纹损伤的原因，完成风电机组主轴的受力分析。
参考图2，对风机主轴进行静应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，具体的，以六面体网格为主，对于主轴各轴段间的轴肩、圆角和倒角处采用局部网格加密，并设置边界约束条件，具体为：前轴承支撑、后轴承支撑、以及主轴尾部与行星齿轮链接，其中，主轴前轴承前后分别与轴套和紧固螺母相邻，在理想的装配条件下，前轴承与轴套及紧固螺母紧密接触，将前轴承与轴套及紧固螺母的相邻关系，设置为无间隙接触，最后对主轴数字模型施加静载荷，再根据对主轴数字模型施加静载荷的结果对风机主轴进行静应力分析。
参考图3，对风机主轴进行动应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，具体的，网格划分将以六面体网格为主，对于主轴各轴段间的轴肩、圆角和倒角处采用局部网格加密的方式，并设置边界约束条件，具体的，前轴承支撑、后轴承支撑、以及主轴尾部与行星齿轮链接，其中，主轴前轴承前后分别与轴套和紧固螺母相邻，理想状态下前轴承与轴套及紧固螺母紧密接触，将前轴承与轴套及紧固螺母的间隙设置为0，最后对主轴数字模型施加动载荷，然后对主轴数字模型进行模态分析，以求解固有频率。
参考图4，对风机主轴进行断裂扩散分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，具体的，主要采用六面体网格进行划分，并对主轴各轴段间的轴肩、圆角和倒角处采用局部网格加密的方式划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静止疲劳载荷，基于修正的零件材料的S-N曲线及Palmgren-Miner疲劳损伤理论，以评估风机主轴的静止疲劳寿命，获取主轴随机振动加速度载荷的功率谱密度函数，利用有限元谐响应分析求取主轴单位加速度载荷下的应力响应函数，根据Dirlik方法求取主轴的应力幅值概率密度函数，最后再根据经过修正的零件材料的S-N曲线及Palmgren-Miner疲劳损伤理论，对主轴随机振动疲劳寿命进行估算。
实施例一
某型号风机主轴，材料为34CrNiMo6，材料的密度为7850Kg/m3，杨氏弹性模量为207GPa，泊松比为0.3，根据国标GB/T 34524-2017规定，主轴材料的抗拉屈服强度取值为600Mpa，最大拉伸强度取值为900Mpa。参考图5，对风机主轴有限元划分，应力计算所关注的关键位置为第一台阶面、轴套与前轴承的接触面、凹槽及第二台阶面。
如图6所示，对该风机主轴静应力分析结果，不同载荷工况下，第一台阶面的应力值最大，其次为轴套和前轴承的接触面和第二台阶面，并且后两者间的应力水平较为接近，不同载荷工况下，所有各截面应力值均小于国标规定塑性延伸强度，说明该型号主轴的静力学分析符合设计标准。
对风电主轴进行动力学分析，结果如表1及图7a至图7f所示，风机主轴的模态变形主要集中于法兰盘上，轴端由于有前后轴承的支撑以及尾端行星架的约束，其模态变形量较小，因此风机主轴轴端受到模态振型的影响较小。由此可以得出，该风机主轴轴端模态性能较好，轴端的模态振型变形量较小，设计合理。结合静力学分析，轴端最有可能出现裂纹损伤的地方应该是第一台阶面，其次为轴套与前轴承的接触面，鉴于静力学分析，轴端各截面的最大应力均小于所规定的最小需用应力，并且轴端的模态振型变形量较小，所以该主轴的裂纹损伤不可能为低周疲劳损伤，只可能为高周疲劳损伤。
表1
阶数 1 2 3 4 5 6
频率 250.84 250.87 361.49 528.3 528.35 543.67
对该风电主轴进行断裂扩散分析，结果如图8及图9所示，风机主轴结构在承受交变载荷作用时，内部裂纹在不同时刻由于不同应力状态会以不同的速率进行扩展。对于结果不同的应力状态，其对于裂纹扩展的影响很难进行耦合分析。为正确描述在正交载荷作用下疲劳累积的发展过程，将不同幅值的应力循环对结构造成的损伤进行累积，从而构建载荷与疲劳失效的关系，最终得出轴端的第一台阶面、二台阶面受到静止疲劳载荷的影响的结果。风电主轴轴端的第一台阶面、二台阶面受到静止疲劳载荷的影响的结论，但与静止疲劳载荷寿命分析结果不一样的是，前轴承与轴肩和紧固螺母的接触面受到微弱的旋转疲劳载荷的影响。

Claims (9)

1.一种风电机组主轴受力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建风机主轴的主轴数字模型，对风机主轴进行网格划分；
分析风机主轴所受载荷情况，通过条件模拟分析模型分析风机主轴的力场分布情况；
对风机主轴进行静应力分析、动应力分析及断裂扩散分析，再根据风机主轴的受力情况、固有频率及模态变化对风机主轴进行安全性分析，以确定风机主轴裂纹损伤的原因，完成风电机组主轴的受力分析。
2.根据权利要求1所述的风电机组主轴受力分析方法，其特征在于，对风机主轴进行静应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静载荷，再根据对主轴数字模型施加静载荷的结果对风机主轴进行静应力分析。
3.根据权利要求1所述的风电机组主轴受力分析方法，其特征在于，对风机主轴进行动应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加动载荷，然后对主轴数字模型进行模态分析，以求解固有频率。
4.根据权利要求1所述的风电机组主轴受力分析方法，其特征在于，对风机主轴进行断裂扩散分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静止疲劳载荷，以评估风机主轴的静止疲劳寿命，然后对主轴数字模型施加旋转疲劳载荷，以评估风机主轴的旋转疲劳寿命。
5.根据权利要求1所述的风电机组主轴受力分析方法，其特征在于，基于风机主轴的结构尺寸以及主轴上各轴段之间的轴肩、圆角及倒角，构建风机主轴的主轴数字模型。
6.一种风电机组主轴受力分析系统，其特征在于，包括：
建模模块；用于构建风机主轴的主轴数字模型，对风机主轴进行网格划分；
力场分析模块；用于分析风机主轴所受载荷情况，通过条件模拟分析模型分析风机主轴的力场分布情况；
受力分析模块，用于对风机主轴进行静应力分析、动应力分析及断裂扩散分析，再根据风机主轴的受力情况、固有频率及模态变化对风机主轴进行安全性分析，以确定风机主轴裂纹损伤的原因，完成风电机组主轴的受力分析。
7.根据权利要求6所述的风电机组主轴受力分析系统，其特征在于，对风机主轴进行静应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静载荷，再根据对主轴数字模型施加静载荷的结果对风机主轴进行静应力分析。
8.根据权利要求6所述的风电机组主轴受力分析系统，其特征在于，对风机主轴进行动应力分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加动载荷，然后对主轴数字模型进行模态分析，以求解固有频率。
9.根据权利要求6所述的风电机组主轴受力分析系统，其特征在于，对风机主轴进行断裂扩散分析的具体过程为：
对主轴数字模型适配风机主轴的材料、材料密度、杨氏弹性模量、泊松比、抗拉屈服强度及最大拉伸强度，再以六面体网格对风机主轴进行网格划分，并设置边界约束条件，最后对主轴数字模型施加静止疲劳载荷，以评估风机主轴的静止疲劳寿命，然后对主轴数字模型施加旋转疲劳载荷，以评估风机主轴的旋转疲劳寿命。
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