CN114564864A - 一种风机轮毂强度分析方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风机轮毂强度分析方法、系统、设备及存储介质，步骤一，建立风机轮毂几何模型；步骤二，建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；步骤三，对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；步骤四，对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。能够对风机轮毂极限强度进行分析，并且方法简洁。

Description

一种风机轮毂强度分析方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明属于风机领域，涉及一种风机轮毂强度分析方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
目前的风电发展存在一定的问题。首先，虽然大多数风力发电场都建在风力资源丰富的地区，但风电场每年的实际发电量却远远低于预期产量。究其原因是近年来装机量急剧扩张，风机设计周期大大缩短，往往存在风电场风资源评估不足、风机机型选择未得到严格论证以及风机零部件结构设计不达标等问题。这直接导致风机运行过程中频繁故障停机，甚至发生倒塌事故，风机发电量受到严重影响。
风机轮毂作为风力发电机风机轮毂系统中的重要零部件，工作过程中需要承受复杂的交变载荷，并且需要保证在20年的寿命期间内不发生失效，因此轮毂的极限强度和疲劳寿命分析是设计过程中的重中之重。轮毂作为连接叶片和主轴的关键部件，自身结构和受力情况都非常复杂，局部的弹塑性变形可能会对其使用功能造成严重的影响，因此在设计过程中需要对轮毂进行全面的极限强度分析，而现有技术中，对于轮毂的极限强度分析手段过于复杂，费时费力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种风机轮毂强度分析方法、系统、设备及存储介质，能够对风机轮毂极限强度进行分析，并且方法简单。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种风机轮毂强度分析方法，包括以下步骤：
步骤一，建立风机轮毂几何模型；
步骤二，建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；
步骤三，对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；
步骤四，对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
优选的，步骤一中，风机轮毂几何模型包括轮毂、变桨轴承、叶根、主轴承和主轴假体。
优选的，步骤二中，网格划分后，对网格单元类型进行定义。
优选的，步骤三中，在有限元网格模型中采用多点耦合技术将载荷施加到轮毂上。
优选的，步骤三中，在轮毂的极限强度分析中使用的工况为叶根极限载荷，根据叶素-动量理论建立风机模型，按照叶片编号和载荷方向分组提取极限载荷工况。
优选的，步骤三中，边界条件设置中，固定主轴假体末端沿切线方向的运动，固定主轴承外圈沿x、y、z三个方向的位移自由度。
优选的，步骤四中，轮毂的强度校核条件为：
σmax<[σ]；
σmax为最大计算应力，[σ]为轮毂的材料许用应力；
轮毂的材料许用应力[σ]为：
Figure BDA0003525024230000021
σs为轮毂的材料屈服极限，γM为材料安全系数，γM＝1.1。
一种风机轮毂强度分析系统，包括：
风机轮毂几何模型建立模块，用于建立风机轮毂几何模型；
有限元网格模型建立模块，用于建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；
施加载荷模块，用于对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；
轮毂极限强度校核模块，用于对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述风机轮毂强度分析方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述风机轮毂强度分析方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用有限元网格模型对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分，提升了其建模精度，再对有限元网格模型施加载荷条件，从而通过对有限元网格模型的计算，完成轮毂结构的极限强度校核，方法简洁，计算数据较少，省时省力。
附图说明
图1为本发明的风机轮毂强度分析方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，为本发明所述的风机轮毂强度分析系统，本实施例对5MW水平轴风力发电机组的轮毂结构进行极限强度分析，分析过程如下：
1、建立风机轮毂几何模型：根据风发电机设计规范，利用三维几何设计软件Solidworks建立了风机轮毂几何模型。
2、建立有限元网格模型：利用有限元前处理软件Hypermesh对风机轮毂系统中的各个零部件进行网格划分。
3、对有限元网格模型建立边界条件和施加载荷条件。
4、模型求解与结果分析：调用ANSYS求解器对建立好的限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
具体的实施过程为：
步骤1建立风机轮毂几何模型：
以5MW的陆上风机为例，该风机轮毂几何模型主要包括轮毂、变桨轴承、叶根、主轴承、主轴假体等几部分构成。其中叶根和变桨轴承内圈相连，轮毂叶根法兰和变桨轴承外圈相连。
针对5MW水平轴风力发电机组轮毂为刚性球形轮毂，主要的几何外形为三个叶根法兰、主轴法兰、人孔、轮毂球体，其中每两个叶根法兰之间的夹角为120°。轮毂的几何尺寸主要由叶片和主轴尺寸决定，叶根法兰和变桨轴承的尺寸决定了轮毂球体的大小，主轴尺寸决定了主轴法兰的大小。轮毂的几何结构为壁厚不均的薄壁球体，轮毂体积为5.58m3。球体的最大半径为2600mm；轮毂和变桨轴承外圈连接的叶片法兰外径为4100mm，内径为1900mm，高度为105mm；轮毂和主轴连接的主轴法兰外径为2800mm，内径外2050mm，高度为100mm；人孔半径为800mm。在轮毂的建立过程中，保留了腹板上的螺栓孔、变桨电机安装孔以及轮毂吊装凸台。风机轮毂的材料属性如表1所示。
表1风机轮毂的材料属性
Figure BDA0003525024230000051
步骤2建立有限元网格模型：
在有限元前处理软件Hypermesh中完成对风机轮毂几何模型的网格划分。轮毂主体是沿主轴线120°对称的结构，因此在几何处理中应该首先将其切分成沿主轴线对称的三块，然后只需对其中的一块建模即可。由于轮毂结构曲面复杂，外部构型突变较多，因此选择10节点的SOLID187单元对轮毂进行网格划分。轮毂表面还建立了一层8节点的SHELL281薄膜单元用于疲劳寿命计算。
在轮毂平滑的外表面上，出于安装要求或局部加强需要，设计有许多安装凸台，这些凸台往往会引起严重的应力集中问题。此外，在叶片法兰和轮毂外表面的连接处、螺栓孔处、主轴散热孔等位置也容易引起应力集中问题，因此在网格划分过程中对这些危险位置进行了网格尺寸渐变加密处理，保证了网格平顺光滑，能够真实反映其几何特征。对轮毂外表面曲面变化小的区域采取了较稀疏的网格划分。
在轴承的有限元建模过程中，因为轴承的内、外圈形状规则，所以变桨轴承和主轴承的内、外圈均采用8节点的SOLID185单元进行网格划分。变桨轴承的滚珠采用杆单元进行建模，以模拟滚珠的接触行为。其中每个滚珠由14个LINK10单元构成，相邻的单元之间夹角为9°。主轴承的滚子采用仅受压缩的梁单元进行建模，以模拟其非线性行为，其中每个滚子由5个LINK10单元构成。主轴假体和叶根形状规则，因此采取8节点的SOLID185单元进行网格划分。
步骤3载荷施加与边界条件：
在有限元网格模型中采用多点耦合技术(Multi Point Constraints,MPC)将载荷施加到轮毂上。首先在叶根中心建立载荷施加点，再建立足够刚度的BEAM4单元将叶根端面上的节点与叶根载荷施加点刚性耦合起来，最后按照GL规范中规定的叶片坐标系将叶根极限载荷施加到叶根中心。
在轮毂的极限强度分析中使用的工况为叶根极限载荷，本文的载荷设计遵循GL规范，根据叶素-动量理论在风机设计软件GH.Bladed中建立风机模型，按照叶片编号和载荷方向分组提取极限载荷工况。
风机轮毂有限元网格模型的边界条件设置中，主要固定主轴假体末端沿切线方向的运动，避免传动系统带来的旋转运动。此外，还要固定主轴承外圈沿x、y、z三个方向的位移自由度。
步骤4有限元网格模型求解：
对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
在风力发电机组结构设计中通常采用第四强度理论对轮毂进行校核分析。该理论认为：无论材料处于什么应力状态，只要危险点处的畸变能密度vd达到材料单向拉伸屈服时畸变能密度的极限值(vd)u，材料则发生屈服破坏，因此材料屈服的破坏条件为：
Vd＝(Vd)u
相应的强度条件为：
Figure BDA0003525024230000061
式中σ1，σ2，σ3为主应力，[σ]为材料许用应力。
球墨铸铁QT400-18AL的材料属性可知，它的屈服极限σs＝220MPa。根据GL规范中强度分析的要求，对于所有载荷工况分组内的金属部件，只需考虑其局部材料安全系数，因此轮毂材料的许用应力为：
Figure BDA0003525024230000071
轮毂的强度校核条件为：
σmax<[σ]
σmax为最大计算应力。
调用有限元分析软件ANSYS对上文建立的有限元网格模型进行数值模拟分析得到其应力和位移分布规律。并根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。
本发明再一个实施例中，提供了一种风机轮毂强度分析系统，该风机轮毂强度分析系统可以用于实现上述风机轮毂强度分析方法，具体的，该风机轮毂强度分析包括风机轮毂几何模型建立模块、有限元网格模型建立模块、施加载荷模块以及轮毂极限强度校核模块。
其中，风机轮毂几何模型建立模块用于建立风机轮毂几何模型；有限元网格模型建立模块用于建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；施加载荷模块用于对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；轮毂极限强度校核模块用于对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于风机轮毂强度分析方法的操作，包括：步骤一，建立风机轮毂几何模型；步骤二，建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；步骤三，对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；步骤四，对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
再一个实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关风机轮毂强度分析方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：步骤一，建立风机轮毂几何模型；步骤二，建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；步骤三，对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；步骤四，对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种风机轮毂强度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立风机轮毂几何模型；
步骤二，建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；
步骤三，对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；
步骤四，对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
2.根据权利要求1所述的风机轮毂强度分析方法，其特征在于，步骤一中，风机轮毂几何模型包括轮毂、变桨轴承、叶根、主轴承和主轴假体。
3.根据权利要求1所述的风机轮毂强度分析方法，其特征在于，步骤二中，网格划分后，对网格单元类型进行定义。
4.根据权利要求1所述的风机轮毂强度分析方法，其特征在于，步骤三中，在有限元网格模型中采用多点耦合技术将载荷施加到轮毂上。
5.根据权利要求1所述的风机轮毂强度分析方法，其特征在于，步骤三中，在轮毂的极限强度分析中使用的工况为叶根极限载荷，根据叶素-动量理论建立风机模型，按照叶片编号和载荷方向分组提取极限载荷工况。
6.根据权利要求1所述的风机轮毂强度分析方法，其特征在于，步骤三中，边界条件设置中，固定主轴假体末端沿切线方向的运动，固定主轴承外圈沿x、y、z三个方向的位移自由度。
7.根据权利要求1所述的风机轮毂强度分析方法，其特征在于，步骤四中，轮毂的强度校核条件为：
σmax＜[σ]；
σmax为最大计算应力，[σ]为轮毂的材料许用应力；
轮毂的材料许用应力[σ]为：
Figure FDA0003525024220000011
σs为轮毂的材料屈服极限，γM为材料安全系数，γM＝1.1。
8.一种风机轮毂强度分析系统，其特征在于，包括：
风机轮毂几何模型建立模块，用于建立风机轮毂几何模型；
有限元网格模型建立模块，用于建立有限元网格模型，对风机轮毂几何模型中的各个零部件进行网格划分；
施加载荷模块，用于对有限元网格模型设置边界条件，并施加载荷条件；
轮毂极限强度校核模块，用于对有限元网格模型进行计算求解；而后提取所有结算结果的应力和位移云图，根据应力和位移结果完成轮毂结构的极限强度校核。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任意一项所述风机轮毂强度分析方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述风机轮毂强度分析方法的步骤。
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