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風力機組偏航齒圈螺栓有限元分析

發布于:2019-03-07 20:05
有限元

      高强度螺栓是联接兆瓦级风力发电机组偏航系统中重要相关部件的重要元件,其联接的可靠性决定着塔筒与偏航齿圈之间的联接可靠性。而兆瓦级风力发电机组偏航振动过程中的轴向载荷、转矩以及倾覆力矩将直接影响高强度螺栓联接的可靠性及其大型风力发电机组运行的安全性。因此,对兆瓦级风力发电机组偏航齿圈螺栓联接强度进行有限元分析和處理顯得十分緊迫和重要。
      传统螺栓联接强度理论往往被用于对螺栓组联接受轴向载荷或倾覆力矩的情况进行分析,其结果却不太令人满意。近年来,德国标准VDI2230工程算法、有限元分析方法或兩者相結合的方法階等被廣泛用于螺栓聯接的研究中,如Croccolo等運用VDI2230與有限元分析相結合的方法對螺栓聯接的力學性能和疲勞強度進行模擬仿真,並通過實驗加以驗證。而對于起聯接作用的高強度螺栓來說,由于Schmidt-Neuper法主要適用于塔筒連接處螺栓聯接形式,並不適用于塔頂法蘭與偏航齒圈處高強度螺栓聯接形式,而有限元仿真分析法在解決此類問題時具有明顯的優勢,可在兆瓦級風力發電機組設計初級階段預先實現對關鍵零部件進行靜強度疲勞分析,並可得到關鍵零部件如螺栓連接的應力及疲勞壽命,爲此,本文將有限元仿真分析方法對兆瓦級風力發電機組偏航齒圈螺栓聯接強度進行仿真分析,其研究結果將對解決風力發電機中類似的螺栓聯接結構強度靜力學性能分析具有指導意義,並可爲兆瓦級風力發電機組的穩定運行與可靠性設計提供理論依據。
      兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学系统可以由非自由质点系表示。在动力学有限元分析中,兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学系统的求解方程可以用下式描述,兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学系统的节点位移;dZS(t)/dt2为兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学系统的节点加速度向量;dS(t)/dt为兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学系统的节点速度向量;M,c,x和Q(t)分别为兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点载荷向量,分别由各自的单元矩阵和向量集成。与静力分析相比较,在动力分析中,由于惯性力和阻尼力出现在平衡方程中,因此,引入质量矩阵和阻尼矩阵,最后得到以常微分方程组形式表示的求解方程。采用直接积分法中的中心差分格式对运动方程进行积分,在给定初始条件和一定的起步计算方法后就可以利用式求解兆瓦级风力发电机组偏航过程动力学系统各个离散时间点的位移,但应注意中心差分法是条件稳定算法。在Pro/E中建立几何模型,由于整个MW级风力发电机模型结构复杂,细小零件繁多,为重点分析偏航齿圈与塔架法兰连接处的高强度螺栓,对整个模型进行了一些合理简化,如将偏航齿圈上的齿去掉,以圆环的形式替代,其他特征保持不变;将偏航齿圈、塔架法兰、螺栓模型中一些不会对整体分析产生影响的倒角修剪特征及螺栓的螺纹予以删除。在滚动式偏航轴承螺栓连接内外圈受载后的变形是相互独立的,只研究偏航齿圈与塔架法兰处的螺栓联接,故可将横向吊杆组件予以删除等,具体模型如图所示。
      若从整个系统来分析偏航齿圈与塔架法兰处的螺栓应力强度,则前处理重复步骤繁杂,计算时间较长。考虑到整个系统结构的几何对称性和最大受载螺栓及其极限工况,建立单个螺栓联接结构系统的1/88局部模型,模型包括偏航齿圈、塔架法兰的局部模型及与其连接的单个高强度螺栓。对于预紧力状态下的高强度螺栓连接模拟方法主要有:1)一维梁单元模拟螺栓,螺纹连接处用MPC连接进行模拟;2)实体单元模拟螺栓,螺纹连接处用绑定连接进行模拟。在运用实体单元模拟螺栓时,即使不建立详细完整的螺纹细节,其数值仿真结果与实验结果在螺杆部位差别也不大,故可以只建立螺栓头、螺栓杆圆柱体、螺纹啮合部位光杆部分圆柱体来模拟螺栓实体单元。由于ABAQUS在處理有限元非線性問題和Hypermesh在劃分網格精度上的優勢,采用Hypermesh對零件六面體單元網格進行劃分,並在相應部位進行網格加密,單元總數爲13234個,如圖所示。將網格文件導入ABAQUS中選用縮減積分單元C3D8R,該單元具有較強的接觸模擬能力,且相對于協調單元計算成本較低,同樣能得到較理想的計算結果。


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