一種風力發電機組輪轂強度計算方法
2023-05-06 16:15:26 1
專利名稱：一種風力發電機組輪轂強度計算方法
技術領域：
本發明涉及一種發電機組關鍵零件的強度計算方法。具體說是一種風力發電機組輪轂的強度計算方法，主要用於大功率水平軸緊湊型風力發電機組。
背景技術：
目前主流的大功率水平軸風力發電機組中，風載荷通過葉片和變槳軸承傳遞到輪轂，輪轂通過主軸將動力傳遞到主傳動鏈進行發電。在輪轂上安裝了變槳驅動，使風機在風力變化的情況下改變葉片的槳距角度，從而確保風機安全高效的運行。輪轂是風機中的關鍵零件之一，在設計過程中為確保風機的安全和使用壽命，根據德國勞埃德(GL)認證規範必須對其強度進行計算。目前，對輪轂強度計算方法主要是採用現有的有限元軟體進行模擬，現有的有限元分析軟體可用於覆蓋結構、溫度、流體、電磁場和多物理場耦合等研究領域，但是模型的簡化方法對計算精度的影響較大，如簡化不當甚至不能正確計算出輪轂的 強度。在專利檢索中指發現有如下一些專利與本發明有一定的相關
I、專利申請號為CN201010617957. 2，發明名稱為「一種風力發電機組主軸強度計算方法」的發明專利，該專利公開了一種風力發電機組主軸強度計算方法，通過現有的有限元軟體為平臺實施建模，最後定義各個部件材料屬性，進行計算，得出變形及應力雲圖，建模過程中主要包括將主軸、軸承和鎖緊盤用實體單元模擬設置合併為一體結構，鎖緊盤外部設置四個齒輪箱彈性支承並且每個齒輪箱彈性支撐由彈簧單元組模擬，風輪節點與主軸的各個法蘭螺栓孔通過剛性梁單元I連接，鎖緊盤與彈簧單元組採用剛性梁單元II連接；於風輪節點施加外部載荷，對彈簧單元組施加全部約束，對軸承施加位置約束。2、專利申請號為CN201110352047.0，發明名稱為「兆瓦級風力發電機組輪轂有限元建模方法」的發明專利，該專利公開了一種兆瓦級風力發電機組輪轂有限元建模方法，根據球形輪轂的對稱性，取其1/3的模型進行建模，形成1/3的有限元模型，然後旋轉形成整體的輪轂有限元模型；利用球形輪轂的旋轉對稱性來進行計算和強度校核，旋轉對稱性是指在其中一個葉片加載和在另一個葉片加載形成的輪轂應力雲圖，兩者旋轉120度或者240度，是能夠完全重合的。但是專利I只是針對主軸強度進行計算的，並不能適用於輪轂強度分析計算；專利2的不足是1)沒有對幾何模型的簡化進行說明；2)在建立有限元模型時沒有對軸承和變槳驅動的模擬進行考慮，導致有限元模型不夠準確；3)沒有對需要計算的極限載荷工況進行總結篩選，導致計算工作量較大；4)沒有對輪轂疲勞壽命的具體計算進行介紹，因此仍有必要對如何改善現有輪轂強度分析計算方法中的不足進行分析研究。
發明內容
本發明的目的在於針對現有輪轂強度分析計算方法中的不足，提出一種新的輪轂強度分析計算方法，此方法更為簡單，精度更高。
為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現
一種風力發電機組輪轂強度計算方法，主要用於大功率水平軸緊湊型風力發電機組，通過現有的有限元軟體為平臺實施建模，定義各個部件材料屬性，進行計算，得出應力雲圖；建模過程中主要包括以下步驟
(O建立的有限元模型；包括葉片根部的一段、變漿軸承、變槳驅動、輪轂、主軸靠近輪轂的一段，分別建立有限元模型；其中，在葉片根部創建節點並將其轉換到德國勞埃德GL規範中規定的葉根坐標系下，然後剛性耦合到葉片上；變槳軸承的滾子採用只受壓力不受拉力的單元進行模擬；葉片和變槳軸承、變槳軸承和輪轂、輪轂和主軸之間的接觸屬性均定義為綁定；在輪轂體表面鋪設一層很薄的殼單元。(2)對相關零部件所使用的材料在有限元前處理軟體中定義其彈性模量、泊松比
等屬性。
(3)建模完成後，使用載荷軟體(GH bladed)輸出GL葉根坐標系下葉根極限載荷，將載荷表中Mx、My、Mz和Myz絕對值最大工況分別施加在葉根中心，並對主軸端部施加全約束。(4)將有限元模型提交有限元軟體進行分析計算，使用有限元軟體後處理模塊看結果雲圖並提取相關結果數據。該發明所述的風力發電機組輪轂強度計算的有益效果為1、在有限元模型中考慮了變槳驅動、變槳軸承的滾子等，並使用了一段葉片假體。讓模型的受力傳遞更加準確，模型計算結果的準確性提高。2、根據輪轂的受力特點，只對四個極限工況進行計算，提高了計算的效率。3、在輪轂體的表面鋪設了一層很薄的殼單元，供對輪轂進行疲勞分析時使用。
圖I為本發明計算方法所用幾何模型結構。圖2為本發明計算方法所用有限元模型結構。圖3為有限元模型中變槳軸承和變槳驅動模擬的細節特徵。圖4為輪轂在某極限工況下的應力雲圖。圖5為輪轂的疲勞損傷結果圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的描述。通過附圖可以看出本發明涉及一種風力發電機組輪轂強度計算方法，主要用於大功率水平軸緊湊型風力發電機組，通過現有的有限元軟體為平臺實施建模，定義各個部件材料屬性，進行計算，得出德國勞埃德GL規範中規定的葉根坐標系下葉根極限載荷Mx、My、Mz和Myz絕對值最大四個極限工況下的應力雲圖；建模過程中主要包括以下步驟
(O建立的有限元模型；包括葉片根部的一段、變漿軸承、變槳驅動、輪轂、主軸靠近輪轂的一段，分別建立有限元模型；其中，在葉片根部創建節點並將其轉換到德國勞埃德GL規範中規定的葉根坐標系下，然後剛性耦合到葉片上；變槳軸承的滾子採用只受壓力不受拉力的單元進行模擬；葉片和變槳軸承、變槳軸承和輪轂、輪轂和主軸之間的接觸屬性均定義為綁定；在輪轂體表面鋪設一層很薄的殼單元。
(2)對相關零部件所使用的材料在有限元前處理軟體中定義其彈性模量、泊松比
等屬性。(3)建模完成後，使用載荷軟體(GH bladed)輸出德國勞埃德GL規範中規定的葉根坐標系下葉根極限載荷，將載荷表中Mx、My、Mz和Myz絕對值最大工況分別施加在葉根中心，並對主軸端部施加全約束。(4)將有限元模型提交有限元軟體進行分析計算，使用有限元軟體後處理模塊看結果雲圖並提取相關結果數據。實施例一
一種風力發電機組輪轂強度計算方法，使用三維軟體建立幾何模型，在建模前需要對輪轂的外部接口零部件和受力要有一個總體的認識。與輪轂I連接的主要零部件是變漿軸承3、變漿驅動、葉片2、楔形盤和主軸4。在建立幾何模型的過程中需對強度影響很小的特徵，如小的倒角、凸臺等進行簡化。建立完畢的幾何模型如圖I所示。將幾何模型轉化為中間格式的文件後，導入專業的有限元前處理軟體，對模型進行網格劃分並對相關零部件定義材料屬性，以建立分析所需的有限元模型，所建立的有限元模型如圖2和圖3所示。為了便於載荷的施加，建立了葉片的假體2，根據聖維南原理，葉片假體2的長度保留大於葉根直徑的一倍，並且分別建立了主軸的假體4和變槳軸承3的假體。楔形盤位於葉片假體2和變槳軸承3之間，予以簡化，不建立假體。簡化掉葉片假體2與變槳軸承假體3、變槳軸承假體3與輪轂I、輪轂I與主軸假體4之間的螺栓連接，在有限元模型中通過設置綁定來耦合各部件。對主軸端部進行全約束，施加載荷和約束後的模型如圖2所示。然後將有限元模型使用求解器進行計算，並使用有限元軟體的後處理模塊查看分析結果，某極限工況下輪轂的應力雲圖如圖4所示。根據德國勞埃德GL規範要求對計算的結果進行評估。對輪轂體的疲勞分析，需根據德國勞埃德GL規範中規定的葉根坐標系下葉根位置單位載荷有限元分析中所獲得的輪轂表面殼單元的應力應變結果，結合材料的疲勞壽命性能，應用疲勞理論，計算出零部件的疲勞壽命。所以對鑄件疲勞壽命的計算分為兩個部分，即單位載荷下鑄件的有限元應力分析計算和根據鑄件所承受載荷的疲勞載荷譜和單位載荷下應力值進行疲勞損傷值的計算。圖5中的最小壽命為IO2 899 = 792. 501，滿足風機20年的設計壽命要求。 對輪轂體的疲勞分析，需根據有限元分析中所獲得的應力應變結果，結合材料的疲勞壽命性能，應用疲勞理論，計算出零部件的疲勞壽命。所以對鑄件疲勞壽命的計算分為兩個部分，即單位載荷下鑄件的有限元應力分析計算和根據鑄件所承受載荷的疲勞載荷譜和單位載荷下應力值進行疲勞損傷值的計算。名詞解釋
I、德國勞埃德GL規範——又稱德國勞埃德船級社規範，其中GL德國勞埃德船級社風力機設計標準，是由世界權威的葉片認證機構德國勞埃德船級社制定的專門關於風力設備的標準。2、葉根坐標系——基於葉根處所建立的坐標系,見德國勞埃德GL規範中的規定。聖維南原理一是彈性力學的基礎性原理，是法國力學家A. J. C. B. de聖維南於1855年提出的。
權利要求
1.一種風力發電機組輪轂強度計算方法，主要用於大功率水平軸緊湊型風力發電機組，通過現有的有限元軟體為平臺實施建模，定義各個部件材料屬性，進行計算，得出的應力雲圖，其特徵在於，建模過程中主要包括以下步驟 (1)葉片根部的一段、變漿軸承、變槳驅動、輪轂、主軸靠近輪轂的一段，分別建立有限元模型； (2)在葉片根部創建節點並將其轉換到德國勞埃德GL規範中規定的葉根坐標系下，然後剛性耦合到葉片上； (3)變槳軸承的滾子採用只受壓力不受拉力的單元進行模擬； (4 )葉片和變槳軸承、變槳軸承和輪轂、輪轂和主軸之間均定義為綁定接觸。
2.根據權利要求I所述的一種風力發電機組輪轂強度計算方法，其特徵在於建模完成後，在輪轂體表面鋪設一層很薄的殼單兀。
3.根據權利要求I所述的一種風力發電機組輪轂強度計算方法，其特徵在於根使用載荷軟體(GH bladed)輸出GL葉根坐標系下葉根極限載荷，將載荷表中Mx、My、Mz和Myz絕對值最大工況分別施加在葉根中心，並對主軸端部施加全約束，得出四個極限工況下的應力雲圖。
4.根據權利要求I所述的一種風力發電機組輪轂強度計算方法，其特徵是對輪轂體的疲勞分析，需根據有限元分析中所獲得的應力應變結果，結合材料的疲勞壽命性能，應用疲勞理論，計算出零部件的疲勞壽命；所以對鑄件疲勞壽命的計算分為兩個部分，即單位載荷下鑄件的有限元應力分析計算和根據鑄件所承受載荷的疲勞載荷譜和單位載荷下應力值進行疲勞損傷值的計算。
全文摘要
一種大功率水平軸緊湊型風力發電機組輪轂計算方法。在有限元模型中考慮了變槳驅動、變槳軸承的滾子等，並使用了一段葉片假體。讓模型的受力傳遞更加準確，模型計算結果的準確性提高。根據輪轂的受力特點，只對四個極限工況進行計算，提高了計算的效率。對輪轂體的疲勞分析，在輪轂體的表面鋪設了一層很薄的殼單元，根據有限元分析中所獲得的應力應變結果，結合材料的疲勞壽命性能，應用疲勞理論，計算出零部件的疲勞壽命。
文檔編號G06F17/50GK102831260SQ201210262060
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者楊兆忠, 顏志偉, 晏紅文 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司