基于ANSYS的风力发电机螺栓强度分析.doc

基于ANSYS的大型风力发电机组高强度螺栓强度分析
摘要：目前在风力发电机组的机械零部件开发过程中，除了轮毂、主轴、轴承座、机舱及塔架等大部件需求做完整的强度分析，他们之间的高强度螺栓设计也是其中十分重要的组成部分，其设计的是否合理将直接影响全部风力发电机组能否正常运转。这些螺栓不仅要承受弯矩，还要承受扭矩，受力情况十分复杂。采用普通材料力学的方法，没法进行较为精确的计算。本文将结合ANSYS无量元分析软件和目前全部风电行业中通行的螺栓强度计算标准——VDI223中的计算方法来分析风力发电机组中高强度螺栓在极限工况下的强度和各疲劳工况下的疲劳寿命。
关键词：风力发电机组高强度螺栓无量元，VDI2230极限强度疲劳寿命

当前我国电产业的发展十分迅速，发展情势也十分良好，但由于很多企业基本都是通过引进国外技术来制造风力发电机组，并没有完全掌握开发风机发电机组的核心技术，这就给我国风电行业的发展埋了很多隐患。因而十分有必要消化吸收设计技术，为自主研发

这一分析方法除了在螺栓设计及优化时使用，由于其符合德国劳埃德（GL）认证规范，故可以普遍满足国内外各认证机构认证之需求。
ANSYS作为一种强大的无量元分析软件，已广泛运用于机械、电子、航空航天、汽车、船舶等各大领域，是古代设计中必不可少的分析工具。本文将以1.5MW机组中主轴与轮毂之间的连接螺栓为例，比较零碎的来阐述螺栓极限强度分析和疲劳强度。
目的是使通过这样一种方法的运用，可以运用到风力发电机组的任何部位的连接螺栓强度分析，使之满足设计要求，螺栓的设计是否合理，同样也关系到相关零部件的设计成本，因而设计合理的螺栓数量，不仅关系到螺栓本身，也涉及到相关零部件的成本。
一、主轴与轮毂连接螺栓结构
图一是运达1.5MW双馈式风力发电机组传动零碎结构示意图，
1.1螺栓部位结构描述
该机组传动零碎采用传统的三点支持结构，主轴通过一个双列圆柱滚子轴承和和齿箱输入轴通过胀套连接支持，而全部风机头部的风轮与主轴之间就依托360度一圈螺栓连接，其中还连接着风轮锁紧盘。在SolidWorks三维模型中的剖面示意图如下

图二主轴与轮毂螺栓连接剖面图

1.2螺栓受力分析
通过三片桨叶传递到轮毂中心的载荷，需通过该部位螺栓传递给主轴，它所处的位置决定了其受力情况的复杂性，这些螺栓不仅要承受轴向拉力，轮毂中心的弯矩（包括风载和风轮自重），还要承受转矩。
2无量元模型及其结果
2.1无量元模型

该模型三维实体在Solidworks中建模，导入ANSYS经典界面后进行网格划分。螺栓采用BEAM188两单元建模（实体建模在关健螺纹部位应力读取上存在失真景象），其余实体均采用SOLID95单元。在该无量元模型中，BEAM188梁单元的头尾两部分均通过载荷伞的分别进行固定。

材料特性
序号名称材料弹性模量E[N/m2]泊松比v1主机架钢2E+110.32齿箱支持座铸铁1.7E+110.33齿箱弹性支持橡胶/钢板1.0e110.3无量元模型中的特性参数
螺纹规格M36－强度等级－10.9－极限强度Ru1000[Mpa]屈服强度Re[2]940[Mpa]弹性模量E210000[N/m2]建模螺栓直径D36[mm]螺栓特性参数

2.2无量元结果
主轴与轮毂连接螺栓无量元模型及无量元结果见附件[1].
载荷分量Fx、Mx对于主轴与轮毂连接螺栓的影响，绝对倾覆力矩My和Mz其影响很小，被忽略不计。故本次分析主要考虑倾覆力矩作用下的螺栓强度。
根据附件[1]可知，在预紧力最小的情况下，加载My＝6000kNm，在和位置，载荷与其应力增量之间的非线性关系如表1所示

施加的载荷MySress增量Sress增量[kNm][Mpa][Mpa]-6000207.389.2-450012054.8-300059.819.4-150011.24.300.30.215008.18.9300025.949.6450050.595.9600079.6177.5

3强度分析
3.1极限强度分析

3.2疲劳寿命分析

根据，可以说处在风机的喉咙部位。位置相关关健，
，受力情况十分复杂。

1.5MW风力发电机组主要零件的三位实体模型

二、无量元模型
2.1无量元模型描述
将三位实体分别导入到ANSYS界面，利用ANSYS网格划分功能对各相关零件进行网格划分，并在各零件的接触面之间设置合适的接触对，图三是网格化后的无量元模型

主要零件网格化后的无量元模型
为了尽量减少单元数量，很多实体网格都比较粗，只是在轮毂与主轴接触面附近通过螺栓传递力的地方，网格会比较细。本文螺栓利用beam188梁单元来模拟，应力结果可以从该梁单元直接读取。
对于螺栓连接件的强度、刚度进行计算机仿真分析,通常采用两种方