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基于ANSYS的風力機輪轂壁厚的有限元分析

發布于:2022-08-16 22:21
有限元分析

      輪轂是風力機的重要部件,連接著葉片和主軸,其重要性隨著風力發電機組容量的增加而愈來愈明顯,F有的風力機大都采用球形輪轂,輪轂主要承受對稱風輪推力載荷、單葉片推力載荷和葉片重力力矩。因承受著復雜的交變載荷,且強度要求較高,現有輪轂常被設計得巨大而笨重,其在實際運行中的最大應力遠遠小于輪轂鑄件材料的許用應力,增加了輪轂本身的轉動慣量,對機艙及塔架的強度要求都有所增加,為運輸和安裝帶來很多不便,造成了材料的浪費,增加了風力發電機的制造成本。
      目前,許多研究者在減小輪轂重量與輪轂優化設計方面做了一些研究工作。文獻采用相似原理和拓撲優化的方法,借助有限元分析軟件Altair提供的OptiStruct模塊,開發出質量較輕的新型輪轂模型;也有以多參數、輪轂壁厚分段優化的方法進行輪轂減重設計;文獻更是提出一種在輪轂主體上鉆孔的方法來減輕風力機輪轂的質量。
      結合現有研究情況,本文以某1.5 MW三葉片水平軸直驅定漿風力機的球型固定式輪轂為研究對象,擬采取整體同步等量減小輪轂厚度的方式,從輪轂外表面往內表面的方向平均縮減壁厚,力求在滿足輪轂基本強度要求的情況下,找到相對理想的輪轂壁厚優化值,盡最大可能減輕輪轂重量,減小材料使用,實現輪轂制造的經濟性及運行安全性的統一。
      不同的坐標系通?梢杂糜诙x不同的模型和邊界條件,選擇適當的坐標系不僅能夠快速方便地建立有限元模型,而且便于邊界條件限制和載荷的施加,有效地提高計算效率。在風力發電機組中,對載荷的計算應選擇合適的坐標系,對輪轂的載荷進行計算時應選擇輪轂坐標系,輪轂的載荷主要來自于風力機的葉片,對葉片載荷的分析又需要建立葉片坐標系。
      風力發電機輪轂的極限載荷數據是依據國際電工委員會IEC 61400-1 (2005)風力發電機組安全要求指定的極限載荷工況,利用風力機大型設計軟件GH BLADED計算得到。在極限工況中,50年一遇極限風速取為70 m/s湍流強度定為A類,并分別依據公式確定極端風向變化值、極端相干陣風幅值及極端風速切變等。另外,還需在BLADED中設置風輪的結構參數。
      建立風力機葉片模型,取安全系數為1.2,計算葉根處極限載荷。輪轂靜態載荷檢驗所采用的極限載荷加載數據,載荷葉片坐標系分別施加在3個葉片根部,其中FY,FZ,MY,M,Mz分別對應于葉片坐標系中的Fxa,Fra,Fza,MXxa,MR,MAR。
      輪轂強度分析包括三維幾何建模、有限元網格劃分、載荷施加及運用ANSYS軟件進行應力數值計算分析等。輪轂模型中非關鍵部位對輪轂整體力學性能影響非常小,而引入這些細小特征會破壞網格質量,甚至影響計算結果的精度;因此,建模時對輪轂上細小的特征進行了相應簡化。簡化的原則是在保證計算精度的前提下,省略非關鍵部位對輪轂整體剛度作用較小的一些特征,如小的倒圓和倒角等,以提高網格質量精度和CPU的計算分析速度。輪轂所受到的載荷及約束是通過葉片和主軸傳遞的,若直接將載荷施加在輪轂上,會影響計算結果的可靠性,需要在輪轂上,引入葉片假體和主軸假體,輪轂與假體在ANSYS中設置為剛性連接。在有限元網格劃分中,采用網格自動生成法,由于模型的外形尺寸較大,設置網格總體尺寸為30 mm。對葉片假體施加載荷,對主軸假體施加全約束,施加載荷時以每個葉片的坐標系為基礎,分別施加6個交變載荷。經計算得到輪轂最大應力云圖?芍嗇灥淖畲髴102.09 MPa,且最大應力處位于輪轂與主軸連接的邊緣。本輪轂采用高強度球墨鑄鐵QT400-18作為輪轂材料。
      輪轂的屈服極限220 MPa,根據CCS風力發電機組規范,取材料的一般局部安全系數y=1.1,則其許用應力200 MPa,故輪轂最大應力102.09 MPa,說明輪轂強度遠遠滿足要求。
      輪轂最大應力遠小于球墨鑄鐵的許用應力200MPa,輪轂最大應力只要在球墨鑄鐵許用應力以內,輪轂在運行中就是安全的。


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