張曉琳　劉衍選　陳虎

摘 要：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組各部件之間的連接螺栓的強度直接影響著整個風(fēng)力機組的性能和使用壽命。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對某MW級直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的機艙底盤與發(fā)電機的連接螺栓進行極限強度分析，得到了連接螺栓在不同極限工況下的應(yīng)力大小以及接觸面的接觸狀態(tài)，驗證了該處的連接螺栓能夠滿足設(shè)計工況的極限強度要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；連接螺栓；有限元；ANSYS；極限強度

1 背景

可再生能源的開發(fā)利用，對解決能源問題和環(huán)境問題具有重要的作用，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電整個過程都不產(chǎn)生任何污染，是真正的綠色能源。風(fēng)電技術(shù)自上世紀八十年代發(fā)展起步，步入本世紀初，歐洲、北美、中國等地區(qū)和國家迅速開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，當前我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展十分迅速，功率從kW級別發(fā)展到MW級別，結(jié)構(gòu)尺寸也越來越大。傳統(tǒng)的計算分析方法已經(jīng)不能滿足風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計要求，應(yīng)用新的3D建模軟件和計算分析軟件，可以使風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計和分析的更加精確，從而保證我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良好發(fā)展。

ANSYS軟件是目前國際上最著名的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、汽車、電子、機械、土木工程等各個研究領(lǐng)域，其極強的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題[1]，是現(xiàn)代設(shè)計中必不可少的分析工具，在風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計分析中起著至關(guān)重要的作用。

2 底盤與發(fā)電機連接螺栓強度分析的意義

與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組不同，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪直接與發(fā)電機相連，中間省去了主軸、齒輪箱及其附件等部件，在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪直接將動能傳遞給發(fā)電機來產(chǎn)生電能。這種直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組沒有齒輪箱，可減少傳動損耗，提高風(fēng)力機的發(fā)電效率；同時，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，提高了機組的可靠性，從而降低了運行及維護成本[2]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機一側(cè)與輪轂相連，另一側(cè)通過高強度螺栓固定于機艙的底盤上，然后通過底盤以及偏航軸承等部件固定于塔架上方。因此，機艙底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓承受著輪轂傳遞過來的不同工況下的力與力矩及其發(fā)電機自身的重力，其螺栓的強度對風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性起著重要的作用。

底盤與發(fā)電機的連接螺栓在連接位置處圓周均布，因此在相同載荷下不同位置的螺栓受力各不相同，同時，風(fēng)力發(fā)電機組有多種工況，不同工況下產(chǎn)生的載荷情況也不相同，因此，連接螺栓的受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的工程計算方法來計算螺栓的強度較麻煩且準確性不高[3]。采用有限元分析法，應(yīng)用有限元軟件ANSYS構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，對連接螺栓進行了不同工況的強度分析，并且根據(jù)分析結(jié)果驗證了連接螺栓的可靠性。

3 連接螺栓的強度分析

3.1 底盤與發(fā)電機連接螺栓的幾何分析模型

底盤與發(fā)電機連接螺栓的幾何模型如圖1所示，發(fā)電機通過兩排均布的10.9級M36螺栓與機艙底盤連接，內(nèi)外兩圈的螺栓數(shù)均為60個，其中內(nèi)圈螺紋孔的分布直徑為1700mm，外圈螺紋孔的分布直徑1900mm。由于連接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相應(yīng)的單元，因此該幾何模型只需確定螺栓孔位置與大小即可。

由于本次分析主要是分析連接螺栓的強度，因此本次分析中的底盤與發(fā)電機的幾何模型在原設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了簡化，將小的孔類、圓角及小凸臺等對計算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)略去，這樣可以在保證計算精度的前提下，降低網(wǎng)格劃分難度，縮短計算時間。

3.2 材料特性

在有限元分析計算中，結(jié)構(gòu)的靜強度分析所需的材料特性主要是材料的彈性模量和泊松比。文章的底盤和發(fā)電機均為鑄件，其材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，該材料的彈性模量為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。10.9級的高強度螺栓的材質(zhì)一般為低碳合金鋼或中碳鋼，屈服強度為940MPa，而所用的螺栓墊圈的材料為Q345E，它們的彈性模量均為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型過程中最復(fù)雜最關(guān)鍵的一部分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞以及所選擇的的單元類型直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度[4]。底盤與發(fā)電機部分是將Solidworks建立的三維模型直接導(dǎo)入ANSYS中，然后分別進行網(wǎng)格劃分得到所需單元。由于底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)的單元類型采用SOLID187四面體單元，而發(fā)電機是規(guī)則的軸對稱結(jié)構(gòu)，故單元類型采用SOLID185六面體單元，采用這種網(wǎng)格劃分形式，可以在保證計算精度的前提下加快計算速度。螺栓部分則直接在ANSYS中采用BEAM188梁單元建立相應(yīng)的單元模型，BEAM188梁單元的截面大小按M36螺栓的應(yīng)力截面面積進行設(shè)定。完成網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2所示。

3.3.2 載荷及邊界條件的施加

底盤與發(fā)電機的連接螺栓承受的載荷主要是輪轂中心處的極限工況載荷和發(fā)電機的重力。在輪轂中心處建立節(jié)點，該節(jié)點與發(fā)電機端面節(jié)點做MPC綁定接觸，在該節(jié)點處施加由風(fēng)力機載荷計算軟件Bladed軟件計算得到的16組極限工況載荷，節(jié)點的坐標系采用GL規(guī)范中規(guī)定的輪轂坐標系[5]，坐標系方向如圖3所示。在發(fā)電機重心位置建立節(jié)點，同理，該節(jié)點與發(fā)電機部分內(nèi)表面做綁定接觸，并在該節(jié)點處施加發(fā)電機重力。分析中發(fā)電機與機艙底盤的接觸面之間定義摩擦接觸關(guān)系，摩察系數(shù)大小取0.2，在主機架下端節(jié)點上施加全約束，即約束該面上所有節(jié)點的X、Y、Z三個方向上位移和旋轉(zhuǎn)自由度。

3.4 求解計算與結(jié)果分析

由于該結(jié)構(gòu)的有限元計算模型涉及到接觸非線性問題，并且連接螺栓在受載荷力之前需施加螺栓預(yù)緊力，因此，求解過程采用多載荷步的方式進行計算，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步施加螺栓所受的極限工況載荷。

運用ANSYS軟件分別計算比較輪轂中心處的16組極限工況載荷下螺栓的應(yīng)力大小，可以得到My-min工況下螺栓組的應(yīng)力最大。My-min工況下輪轂的極限載荷為：Mx=-3.51kN·m，My=-4457.1kN·m，Mz=-2192.2kN·m，F(xiàn)x=-110.6kN，F(xiàn)y=90.5kN，F(xiàn)x=-778.7kN。在該工況下，螺栓組整體應(yīng)力結(jié)果和最危險螺栓應(yīng)力結(jié)果分別如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，螺栓組的最大應(yīng)力為746 MPa。10.9級的螺栓的屈服應(yīng)力為940 MPa，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的相關(guān)規(guī)范，螺栓的安全系數(shù)為1.1，則螺栓的許用應(yīng)力為854.5 MPa，因此，該組連接螺栓在極限工況下能夠滿足靜強度要求。

底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓，除了滿足強度要求外，還需要考慮它們接觸面之間在預(yù)緊力和極限載荷作用下，圓周方向是否會發(fā)生滑移，應(yīng)避免使螺栓承受剪切力。通過ANSYS的計算分析，可以得到接觸面之間的接觸狀態(tài)，圖5為在My-min工況下發(fā)電機與底盤的接觸狀態(tài)分布圖，從圖中狀態(tài)分布可知，接觸狀態(tài)較好，接觸面之間沒有發(fā)生滑移。

4 結(jié)束語

通過上述有限元的分析計算，可以看出該MW級風(fēng)力發(fā)電機組的機艙底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓的極限強度滿足各工況載荷的要求，同時它們的接觸面之間也不會發(fā)生使螺栓承受剪切力的滑移。通過上述分析過程，可以看出與傳統(tǒng)工程計算方法相比，采用有限元法分析受力復(fù)雜螺栓組的極限強度，能夠縮短計算時間，提高計算的準確性。

在實際設(shè)計生產(chǎn)中，螺栓的強度分析除了要進行極限強度分析外，還需進行疲勞強度的分析。需要根據(jù)螺栓所受的載荷時間歷程和螺栓的S-N曲線等內(nèi)容來進行分析計算，最終確定螺栓是否能夠滿足疲勞強度的要求。

參考文獻

[1]劉偉，高偉成，于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010（7）.

[2]姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機組原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009（6）.

[3]王健.變載荷工況下風(fēng)力發(fā)電機連接部件接觸強度分析研究[D].新疆：新疆大學(xué)，2010（6）.

[4]任重.ANSYS實用分析教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z]. 2010.

[6]何玉林，雷增宏，石秉楠.MW級風(fēng)力發(fā)電機組輪轂連接螺栓接觸強度分析[J].現(xiàn)代制造工程，2011（04）：110-114.

[7]李軍，楊潔明，高俊云.大型風(fēng)力機組塔架螺栓連接應(yīng)力分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011（07）：30-33.

作者簡介：張曉琳（1987-），女，山東青島，工程師，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)強度分析的研究。endprint

摘 要：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組各部件之間的連接螺栓的強度直接影響著整個風(fēng)力機組的性能和使用壽命。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對某MW級直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的機艙底盤與發(fā)電機的連接螺栓進行極限強度分析，得到了連接螺栓在不同極限工況下的應(yīng)力大小以及接觸面的接觸狀態(tài)，驗證了該處的連接螺栓能夠滿足設(shè)計工況的極限強度要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；連接螺栓；有限元；ANSYS；極限強度

1 背景

可再生能源的開發(fā)利用，對解決能源問題和環(huán)境問題具有重要的作用，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電整個過程都不產(chǎn)生任何污染，是真正的綠色能源。風(fēng)電技術(shù)自上世紀八十年代發(fā)展起步，步入本世紀初，歐洲、北美、中國等地區(qū)和國家迅速開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，當前我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展十分迅速，功率從kW級別發(fā)展到MW級別，結(jié)構(gòu)尺寸也越來越大。傳統(tǒng)的計算分析方法已經(jīng)不能滿足風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計要求，應(yīng)用新的3D建模軟件和計算分析軟件，可以使風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計和分析的更加精確，從而保證我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良好發(fā)展。

ANSYS軟件是目前國際上最著名的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、汽車、電子、機械、土木工程等各個研究領(lǐng)域，其極強的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題[1]，是現(xiàn)代設(shè)計中必不可少的分析工具，在風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計分析中起著至關(guān)重要的作用。

2 底盤與發(fā)電機連接螺栓強度分析的意義

與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組不同，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪直接與發(fā)電機相連，中間省去了主軸、齒輪箱及其附件等部件，在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪直接將動能傳遞給發(fā)電機來產(chǎn)生電能。這種直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組沒有齒輪箱，可減少傳動損耗，提高風(fēng)力機的發(fā)電效率；同時，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，提高了機組的可靠性，從而降低了運行及維護成本[2]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機一側(cè)與輪轂相連，另一側(cè)通過高強度螺栓固定于機艙的底盤上，然后通過底盤以及偏航軸承等部件固定于塔架上方。因此，機艙底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓承受著輪轂傳遞過來的不同工況下的力與力矩及其發(fā)電機自身的重力，其螺栓的強度對風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性起著重要的作用。

底盤與發(fā)電機的連接螺栓在連接位置處圓周均布，因此在相同載荷下不同位置的螺栓受力各不相同，同時，風(fēng)力發(fā)電機組有多種工況，不同工況下產(chǎn)生的載荷情況也不相同，因此，連接螺栓的受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的工程計算方法來計算螺栓的強度較麻煩且準確性不高[3]。采用有限元分析法，應(yīng)用有限元軟件ANSYS構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，對連接螺栓進行了不同工況的強度分析，并且根據(jù)分析結(jié)果驗證了連接螺栓的可靠性。

3 連接螺栓的強度分析

3.1 底盤與發(fā)電機連接螺栓的幾何分析模型

底盤與發(fā)電機連接螺栓的幾何模型如圖1所示，發(fā)電機通過兩排均布的10.9級M36螺栓與機艙底盤連接，內(nèi)外兩圈的螺栓數(shù)均為60個，其中內(nèi)圈螺紋孔的分布直徑為1700mm，外圈螺紋孔的分布直徑1900mm。由于連接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相應(yīng)的單元，因此該幾何模型只需確定螺栓孔位置與大小即可。

由于本次分析主要是分析連接螺栓的強度，因此本次分析中的底盤與發(fā)電機的幾何模型在原設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了簡化，將小的孔類、圓角及小凸臺等對計算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)略去，這樣可以在保證計算精度的前提下，降低網(wǎng)格劃分難度，縮短計算時間。

3.2 材料特性

在有限元分析計算中，結(jié)構(gòu)的靜強度分析所需的材料特性主要是材料的彈性模量和泊松比。文章的底盤和發(fā)電機均為鑄件，其材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，該材料的彈性模量為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。10.9級的高強度螺栓的材質(zhì)一般為低碳合金鋼或中碳鋼，屈服強度為940MPa，而所用的螺栓墊圈的材料為Q345E，它們的彈性模量均為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型過程中最復(fù)雜最關(guān)鍵的一部分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞以及所選擇的的單元類型直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度[4]。底盤與發(fā)電機部分是將Solidworks建立的三維模型直接導(dǎo)入ANSYS中，然后分別進行網(wǎng)格劃分得到所需單元。由于底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)的單元類型采用SOLID187四面體單元，而發(fā)電機是規(guī)則的軸對稱結(jié)構(gòu)，故單元類型采用SOLID185六面體單元，采用這種網(wǎng)格劃分形式，可以在保證計算精度的前提下加快計算速度。螺栓部分則直接在ANSYS中采用BEAM188梁單元建立相應(yīng)的單元模型，BEAM188梁單元的截面大小按M36螺栓的應(yīng)力截面面積進行設(shè)定。完成網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2所示。

3.3.2 載荷及邊界條件的施加

底盤與發(fā)電機的連接螺栓承受的載荷主要是輪轂中心處的極限工況載荷和發(fā)電機的重力。在輪轂中心處建立節(jié)點，該節(jié)點與發(fā)電機端面節(jié)點做MPC綁定接觸，在該節(jié)點處施加由風(fēng)力機載荷計算軟件Bladed軟件計算得到的16組極限工況載荷，節(jié)點的坐標系采用GL規(guī)范中規(guī)定的輪轂坐標系[5]，坐標系方向如圖3所示。在發(fā)電機重心位置建立節(jié)點，同理，該節(jié)點與發(fā)電機部分內(nèi)表面做綁定接觸，并在該節(jié)點處施加發(fā)電機重力。分析中發(fā)電機與機艙底盤的接觸面之間定義摩擦接觸關(guān)系，摩察系數(shù)大小取0.2，在主機架下端節(jié)點上施加全約束，即約束該面上所有節(jié)點的X、Y、Z三個方向上位移和旋轉(zhuǎn)自由度。

3.4 求解計算與結(jié)果分析

由于該結(jié)構(gòu)的有限元計算模型涉及到接觸非線性問題，并且連接螺栓在受載荷力之前需施加螺栓預(yù)緊力，因此，求解過程采用多載荷步的方式進行計算，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步施加螺栓所受的極限工況載荷。

運用ANSYS軟件分別計算比較輪轂中心處的16組極限工況載荷下螺栓的應(yīng)力大小，可以得到My-min工況下螺栓組的應(yīng)力最大。My-min工況下輪轂的極限載荷為：Mx=-3.51kN·m，My=-4457.1kN·m，Mz=-2192.2kN·m，F(xiàn)x=-110.6kN，F(xiàn)y=90.5kN，F(xiàn)x=-778.7kN。在該工況下，螺栓組整體應(yīng)力結(jié)果和最危險螺栓應(yīng)力結(jié)果分別如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，螺栓組的最大應(yīng)力為746 MPa。10.9級的螺栓的屈服應(yīng)力為940 MPa，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的相關(guān)規(guī)范，螺栓的安全系數(shù)為1.1，則螺栓的許用應(yīng)力為854.5 MPa，因此，該組連接螺栓在極限工況下能夠滿足靜強度要求。

底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓，除了滿足強度要求外，還需要考慮它們接觸面之間在預(yù)緊力和極限載荷作用下，圓周方向是否會發(fā)生滑移，應(yīng)避免使螺栓承受剪切力。通過ANSYS的計算分析，可以得到接觸面之間的接觸狀態(tài)，圖5為在My-min工況下發(fā)電機與底盤的接觸狀態(tài)分布圖，從圖中狀態(tài)分布可知，接觸狀態(tài)較好，接觸面之間沒有發(fā)生滑移。

4 結(jié)束語

通過上述有限元的分析計算，可以看出該MW級風(fēng)力發(fā)電機組的機艙底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓的極限強度滿足各工況載荷的要求，同時它們的接觸面之間也不會發(fā)生使螺栓承受剪切力的滑移。通過上述分析過程，可以看出與傳統(tǒng)工程計算方法相比，采用有限元法分析受力復(fù)雜螺栓組的極限強度，能夠縮短計算時間，提高計算的準確性。

在實際設(shè)計生產(chǎn)中，螺栓的強度分析除了要進行極限強度分析外，還需進行疲勞強度的分析。需要根據(jù)螺栓所受的載荷時間歷程和螺栓的S-N曲線等內(nèi)容來進行分析計算，最終確定螺栓是否能夠滿足疲勞強度的要求。

參考文獻

[1]劉偉，高偉成，于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010（7）.

[2]姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機組原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009（6）.

[3]王健.變載荷工況下風(fēng)力發(fā)電機連接部件接觸強度分析研究[D].新疆：新疆大學(xué)，2010（6）.

[4]任重.ANSYS實用分析教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z]. 2010.

[6]何玉林，雷增宏，石秉楠.MW級風(fēng)力發(fā)電機組輪轂連接螺栓接觸強度分析[J].現(xiàn)代制造工程，2011（04）：110-114.

[7]李軍，楊潔明，高俊云.大型風(fēng)力機組塔架螺栓連接應(yīng)力分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011（07）：30-33.

作者簡介：張曉琳（1987-），女，山東青島，工程師，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)強度分析的研究。endprint

摘 要：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組各部件之間的連接螺栓的強度直接影響著整個風(fēng)力機組的性能和使用壽命。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對某MW級直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的機艙底盤與發(fā)電機的連接螺栓進行極限強度分析，得到了連接螺栓在不同極限工況下的應(yīng)力大小以及接觸面的接觸狀態(tài)，驗證了該處的連接螺栓能夠滿足設(shè)計工況的極限強度要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；連接螺栓；有限元；ANSYS；極限強度

1 背景

可再生能源的開發(fā)利用，對解決能源問題和環(huán)境問題具有重要的作用，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。風(fēng)力發(fā)電整個過程都不產(chǎn)生任何污染，是真正的綠色能源。風(fēng)電技術(shù)自上世紀八十年代發(fā)展起步，步入本世紀初，歐洲、北美、中國等地區(qū)和國家迅速開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，當前我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展十分迅速，功率從kW級別發(fā)展到MW級別，結(jié)構(gòu)尺寸也越來越大。傳統(tǒng)的計算分析方法已經(jīng)不能滿足風(fēng)力發(fā)電的設(shè)計要求，應(yīng)用新的3D建模軟件和計算分析軟件，可以使風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計和分析的更加精確，從而保證我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良好發(fā)展。

ANSYS軟件是目前國際上最著名的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、汽車、電子、機械、土木工程等各個研究領(lǐng)域，其極強的分析功能覆蓋了幾乎所有的工程問題[1]，是現(xiàn)代設(shè)計中必不可少的分析工具，在風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計分析中起著至關(guān)重要的作用。

2 底盤與發(fā)電機連接螺栓強度分析的意義

與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組不同，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪直接與發(fā)電機相連，中間省去了主軸、齒輪箱及其附件等部件，在風(fēng)的作用下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪直接將動能傳遞給發(fā)電機來產(chǎn)生電能。這種直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組沒有齒輪箱，可減少傳動損耗，提高風(fēng)力機的發(fā)電效率；同時，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，提高了機組的可靠性，從而降低了運行及維護成本[2]。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機一側(cè)與輪轂相連，另一側(cè)通過高強度螺栓固定于機艙的底盤上，然后通過底盤以及偏航軸承等部件固定于塔架上方。因此，機艙底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓承受著輪轂傳遞過來的不同工況下的力與力矩及其發(fā)電機自身的重力，其螺栓的強度對風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性起著重要的作用。

底盤與發(fā)電機的連接螺栓在連接位置處圓周均布，因此在相同載荷下不同位置的螺栓受力各不相同，同時，風(fēng)力發(fā)電機組有多種工況，不同工況下產(chǎn)生的載荷情況也不相同，因此，連接螺栓的受力情況比較復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)的工程計算方法來計算螺栓的強度較麻煩且準確性不高[3]。采用有限元分析法，應(yīng)用有限元軟件ANSYS構(gòu)建了該結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，對連接螺栓進行了不同工況的強度分析，并且根據(jù)分析結(jié)果驗證了連接螺栓的可靠性。

3 連接螺栓的強度分析

3.1 底盤與發(fā)電機連接螺栓的幾何分析模型

底盤與發(fā)電機連接螺栓的幾何模型如圖1所示，發(fā)電機通過兩排均布的10.9級M36螺栓與機艙底盤連接，內(nèi)外兩圈的螺栓數(shù)均為60個，其中內(nèi)圈螺紋孔的分布直徑為1700mm，外圈螺紋孔的分布直徑1900mm。由于連接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相應(yīng)的單元，因此該幾何模型只需確定螺栓孔位置與大小即可。

由于本次分析主要是分析連接螺栓的強度，因此本次分析中的底盤與發(fā)電機的幾何模型在原設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了簡化，將小的孔類、圓角及小凸臺等對計算結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)略去，這樣可以在保證計算精度的前提下，降低網(wǎng)格劃分難度，縮短計算時間。

3.2 材料特性

在有限元分析計算中，結(jié)構(gòu)的靜強度分析所需的材料特性主要是材料的彈性模量和泊松比。文章的底盤和發(fā)電機均為鑄件，其材料為球墨鑄鐵QT400-18AL，該材料的彈性模量為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。10.9級的高強度螺栓的材質(zhì)一般為低碳合金鋼或中碳鋼，屈服強度為940MPa，而所用的螺栓墊圈的材料為Q345E，它們的彈性模量均為1.73×1011Pa，泊松比為0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型過程中最復(fù)雜最關(guān)鍵的一部分，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞以及所選擇的的單元類型直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度[4]。底盤與發(fā)電機部分是將Solidworks建立的三維模型直接導(dǎo)入ANSYS中，然后分別進行網(wǎng)格劃分得到所需單元。由于底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則，該結(jié)構(gòu)的單元類型采用SOLID187四面體單元，而發(fā)電機是規(guī)則的軸對稱結(jié)構(gòu)，故單元類型采用SOLID185六面體單元，采用這種網(wǎng)格劃分形式，可以在保證計算精度的前提下加快計算速度。螺栓部分則直接在ANSYS中采用BEAM188梁單元建立相應(yīng)的單元模型，BEAM188梁單元的截面大小按M36螺栓的應(yīng)力截面面積進行設(shè)定。完成網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2所示。

3.3.2 載荷及邊界條件的施加

底盤與發(fā)電機的連接螺栓承受的載荷主要是輪轂中心處的極限工況載荷和發(fā)電機的重力。在輪轂中心處建立節(jié)點，該節(jié)點與發(fā)電機端面節(jié)點做MPC綁定接觸，在該節(jié)點處施加由風(fēng)力機載荷計算軟件Bladed軟件計算得到的16組極限工況載荷，節(jié)點的坐標系采用GL規(guī)范中規(guī)定的輪轂坐標系[5]，坐標系方向如圖3所示。在發(fā)電機重心位置建立節(jié)點，同理，該節(jié)點與發(fā)電機部分內(nèi)表面做綁定接觸，并在該節(jié)點處施加發(fā)電機重力。分析中發(fā)電機與機艙底盤的接觸面之間定義摩擦接觸關(guān)系，摩察系數(shù)大小取0.2，在主機架下端節(jié)點上施加全約束，即約束該面上所有節(jié)點的X、Y、Z三個方向上位移和旋轉(zhuǎn)自由度。

3.4 求解計算與結(jié)果分析

由于該結(jié)構(gòu)的有限元計算模型涉及到接觸非線性問題，并且連接螺栓在受載荷力之前需施加螺栓預(yù)緊力，因此，求解過程采用多載荷步的方式進行計算，第一步施加螺栓預(yù)緊力，第二步施加螺栓所受的極限工況載荷。

運用ANSYS軟件分別計算比較輪轂中心處的16組極限工況載荷下螺栓的應(yīng)力大小，可以得到My-min工況下螺栓組的應(yīng)力最大。My-min工況下輪轂的極限載荷為：Mx=-3.51kN·m，My=-4457.1kN·m，Mz=-2192.2kN·m，F(xiàn)x=-110.6kN，F(xiàn)y=90.5kN，F(xiàn)x=-778.7kN。在該工況下，螺栓組整體應(yīng)力結(jié)果和最危險螺栓應(yīng)力結(jié)果分別如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，螺栓組的最大應(yīng)力為746 MPa。10.9級的螺栓的屈服應(yīng)力為940 MPa，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的相關(guān)規(guī)范，螺栓的安全系數(shù)為1.1，則螺栓的許用應(yīng)力為854.5 MPa，因此，該組連接螺栓在極限工況下能夠滿足靜強度要求。

底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓，除了滿足強度要求外，還需要考慮它們接觸面之間在預(yù)緊力和極限載荷作用下，圓周方向是否會發(fā)生滑移，應(yīng)避免使螺栓承受剪切力。通過ANSYS的計算分析，可以得到接觸面之間的接觸狀態(tài)，圖5為在My-min工況下發(fā)電機與底盤的接觸狀態(tài)分布圖，從圖中狀態(tài)分布可知，接觸狀態(tài)較好，接觸面之間沒有發(fā)生滑移。

4 結(jié)束語

通過上述有限元的分析計算，可以看出該MW級風(fēng)力發(fā)電機組的機艙底盤與發(fā)電機之間的連接螺栓的極限強度滿足各工況載荷的要求，同時它們的接觸面之間也不會發(fā)生使螺栓承受剪切力的滑移。通過上述分析過程，可以看出與傳統(tǒng)工程計算方法相比，采用有限元法分析受力復(fù)雜螺栓組的極限強度，能夠縮短計算時間，提高計算的準確性。

在實際設(shè)計生產(chǎn)中，螺栓的強度分析除了要進行極限強度分析外，還需進行疲勞強度的分析。需要根據(jù)螺栓所受的載荷時間歷程和螺栓的S-N曲線等內(nèi)容來進行分析計算，最終確定螺栓是否能夠滿足疲勞強度的要求。

參考文獻

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[3]王健.變載荷工況下風(fēng)力發(fā)電機連接部件接觸強度分析研究[D].新疆：新疆大學(xué)，2010（6）.

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[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z]. 2010.

[6]何玉林，雷增宏，石秉楠.MW級風(fēng)力發(fā)電機組輪轂連接螺栓接觸強度分析[J].現(xiàn)代制造工程，2011（04）：110-114.

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作者簡介：張曉琳（1987-），女，山東青島，工程師，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)強度分析的研究。endprint