趙海波 李建功　張忠海

摘 要：彎頭支座是機(jī)艙內(nèi)關(guān)鍵部件之一，也是整個(gè)直驅(qū)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中受力狀態(tài)最復(fù)雜的零部件之一。通過分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在重力、離心力、風(fēng)壓力及其組合作用時(shí)機(jī)艙彎頭支座的承載狀態(tài)，可以輕松求出最極端的受力。文中使用Samcef進(jìn)行載荷計(jì)算，使用Ansys進(jìn)行強(qiáng)度分析，系統(tǒng)明確的對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彎頭支座進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過多次驗(yàn)證得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)機(jī)；彎頭支座；力學(xué)分析

Strength Analysis of MW Wind Turbine Elbow Support

ZHAO Haibo

（Hebei United University.Tangshan063000，China）

Abstract： Elbow support is one of the key components in the cabin， one of the parts is the direct wind system in the most complicated state of stress. Through the analysis of bearing state of wind turbine cabin in the gravity， centrifugal force， wind pressure and combined effect of elbow support， you can easily find the most extreme stress. This paper uses Samcef to load calculation， using ANSYS for strength analysis， system of wind turbine elbow support is verified， after repeatedly verified the optimal structure， and achieved good results.

Keywords： Direct drive wind turbine； Elbow suppor； Mechanical analysis

鑄造彎頭支座作為直驅(qū)風(fēng)機(jī)連接發(fā)電機(jī)和塔筒的主要承載件，承受復(fù)雜的交變載荷[1]，其承載功能，力學(xué)性能要求較高。所以設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮到彎頭支座的功能和力學(xué)要求，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠的彎頭支座，對整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說極其重要。

設(shè)計(jì)中使用Solid works建立彎頭支座的三維模型，通過Samcef Wind Turbines軟件在計(jì)算機(jī)上模擬出風(fēng)力機(jī)在各種設(shè)計(jì)工況下彎頭支座的承載狀態(tài)，進(jìn)而篩選出載荷計(jì)算報(bào)告中的極限值，以此作為極端載荷值， 再通過Ansys 強(qiáng)大的分析功能，對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的鑄造彎頭支座進(jìn)行有限元分析，確定其靜強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性是否滿足要求，如果不合適則反復(fù)修改驗(yàn)證，最終得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)外形[2]。通過此方法縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用，對彎頭支座的設(shè)計(jì)和風(fēng)電機(jī)組部件的系統(tǒng)開發(fā)來說意義重大.

1.受力分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)彎頭支座受力簡圖如圖1所示，其主要受力為風(fēng)輪所承受的推力，還包括附加產(chǎn)生的彎矩、電機(jī)扭矩、前端部件重力以及其附加力矩等。所以其所受載荷較為復(fù)雜，實(shí)際設(shè)計(jì)要求較高，當(dāng)然為了保證設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，載荷計(jì)算不使用工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，而是直接使用專業(yè)的載荷分析軟件。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體受力圖

Fig.1 Wind power generation unit by trying to whole

2.載荷計(jì)算

專業(yè)軟件基于動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬來計(jì)算獲得風(fēng)機(jī)承受的載荷。多數(shù)情況下，風(fēng)機(jī)組件中發(fā)生臨界應(yīng)力或應(yīng)變的位置處往往同時(shí)受多軸載荷。在這種情況下，模擬輸出的正交載荷的時(shí)間序列有時(shí)可用作設(shè)計(jì)載荷。

首先進(jìn)行使用Samcef Wind Turbines進(jìn)行極限載荷計(jì)算，彎頭支座的極端狀態(tài)使用暴風(fēng)載荷，根據(jù)二類風(fēng)場參考風(fēng)速計(jì)算暴風(fēng)風(fēng)速為59.5m/s，風(fēng)剪切忽略即切變系數(shù)為0，葉片可以順利順槳，最終使風(fēng)機(jī)完成停機(jī)過程。此過程所受載荷包含支座所受的最大瞬態(tài)力。而強(qiáng)度的校核以此極端載荷進(jìn)行計(jì)算。

彎頭暴風(fēng)工況分析結(jié)果：

根據(jù)以上10min的載荷仿真模擬，從圖2-7可以看出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組彎頭支座電機(jī)定子連接面上所受的力和彎矩的大小，綜合對其載荷數(shù)據(jù)表進(jìn)行分析處理，從中提取各方向的最大受力來組成用于強(qiáng)度計(jì)算的極端載荷數(shù)據(jù)組，此數(shù)據(jù)雖然過于保守但是對于風(fēng)電機(jī)組來說是合理的。處理數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

3.有限元分析

彎頭支座使用材料為QT350-22AL，抗拉強(qiáng)度350MPa，屈服強(qiáng)度220MPa，伸長率大于等于百分之22，布氏硬度HBW小于等于160，主要基體組織為鐵素鐵，剪切和扭轉(zhuǎn)為315MPa，彈性模量E=169GPa，泊松比=0.275，密度7.1g/cm3。

由于在Ansys上加載彎矩和扭矩較為復(fù)雜，所以設(shè)置一個(gè)理想的載荷施加點(diǎn)，文中使用MPC184單元與實(shí)體上部端面剛性連接來進(jìn)行加載，由于MPC184具有六自由度，可以均勻加載彎矩轉(zhuǎn)矩等載荷，所以此處用MPC184單元定義受力點(diǎn)。

彎頭使用Solid185單元，其用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu).單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度.單元具有超彈性，應(yīng)力鋼化，蠕變，大變形和大應(yīng)變能力.還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料[3]。

3.1.網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的基本原劃：網(wǎng)格數(shù)的多少將影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否。網(wǎng)格數(shù)量越高，計(jì)算精度會(huì)有越高，但計(jì)算花費(fèi)時(shí)間和規(guī)模也會(huì)相應(yīng)增加。載荷變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中處），為了較好地反映結(jié)果變化規(guī)律，要采用密集的網(wǎng)格劃分。但是此結(jié)構(gòu)外形尺寸巨大，所以網(wǎng)格劃分使用自動(dòng)劃分，模型網(wǎng)格大小設(shè)置為6，從圖8中可以看出網(wǎng)格的劃分較為簡單均勻。

圖8 網(wǎng)格分布圖

Fig.8 grid pattern

3.2.極端狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變分析

圖9 風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)力圖

Fig.9wind turbine stress diagram

在剛性單元上加載極端載荷后進(jìn)行求解，得出結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出最大應(yīng)力為230MPa，出現(xiàn)在彎頭去除部分彎曲處，所以可知彎頭支座符合要求，已知其材質(zhì)為QT350，所以抗拉屈服強(qiáng)度達(dá)到350MPa，所以安全系數(shù)達(dá)到1.52，所以實(shí)際的運(yùn)行中應(yīng)該是可靠的，即在極端狀態(tài)下其安全系數(shù)任然綽綽有余。

圖10 風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)力圖

Fig.10wind turbine strain figure

從圖10中可以看出應(yīng)變很小，主要發(fā)生在彎頭支座頂部上端，所以可知與實(shí)際情況是一致的，但是其大小基本可以忽略不計(jì)，所以變形的影響基本是沒有的。

綜合以上可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)彎頭支座的主要承載受力區(qū)域在支座的前底部與偏航連接處，另外還包括頂部區(qū)域，后段受力基本很小，所以優(yōu)化中要加以考慮，進(jìn)行加厚和減薄。

4.結(jié)束語

使用專業(yè)的軟件和方法進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部件設(shè)計(jì)可以取得良好的效果，彎頭支座是較為關(guān)鍵的承載部件，文中使用Samcef和Ansys軟件對彎頭支座進(jìn)行了載荷和強(qiáng)度分析，在準(zhǔn)確性和系統(tǒng)性上有很大的提升，所以通過綜合運(yùn)用多種方法能設(shè)計(jì)出更為合理的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1]European Wind Energy Association， Wind Energy—the Facts： A Guide to the Technology. Economics and Future of WindPower[M]. New York： Earthscan， 2009.

[2]苒曉明， 柳亦兵， 馬志勇. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2010：52-77.

[3]李援， 毛竹. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷計(jì)算中的極端風(fēng)況分析[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 4

作者簡介：

趙海波（1975.11- ）男，漢 ，籍貫：河北樂亭，學(xué)歷：大學(xué)本科 職稱：工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造