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基于ANSYS的风力机轮毂壁厚的有限元分析

发布于:2022-08-16 22:21
有限元分析

      轮毂是风力机的重要部件,连接着叶片和主轴,其重要性随着风力发电机组容量的增加而愈来愈明显。现有的风力机大都采用球形轮毂,轮毂主要承受对称风轮推力载荷、单叶片推力载荷和叶片重力力矩。因承受着复杂的交变载荷,且强度要求较高,现有轮毂常被设计得巨大而笨重,其在实际运行中的最大应力远远小于轮毂铸件材料的许用应力,增加了轮毂本身的转动惯量,对机舱及塔架的强度要求都有所增加,为运输和安装带来很多不便,造成了材料的浪费,增加了风力发电机的制造成本。
      目前,许多研究者在减小轮毂重量与轮毂优化设计方面做了一些研究工作。文献采用相似原理和拓扑优化的方法,借助有限元分析软件Altair提供的OptiStruct模块,开发出质量较轻的新型轮毂模型;也有以多参数、轮毂壁厚分段优化的方法进行轮毂减重设计;文献更是提出一种在轮毂主体上钻孔的方法来减轻风力机轮毂的质量。
      结合现有研究情况,本文以某1.5 MW三叶片水平轴直驱定浆风力机的球型固定式轮毂为研究对象,拟采取整体同步等量减小轮毂厚度的方式,从轮毂外表面往内表面的方向平均缩减壁厚,力求在满足轮毂基本强度要求的情况下,找到相对理想的轮毂壁厚优化值,尽最大可能减轻轮毂重量,减小材料使用,实现轮毂制造的经济性及运行安全性的统一。
      不同的坐标系通常可以用于定义不同的模型和边界条件,选择适当的坐标系不仅能够快速方便地建立有限元模型,而且便于边界条件限制和载荷的施加,有效地提高计算效率。在风力发电机组中,对载荷的计算应选择合适的坐标系,对轮毂的载荷进行计算时应选择轮毂坐标系,轮毂的载荷主要来自于风力机的叶片,对叶片载荷的分析又需要建立叶片坐标系。
      风力发电机轮毂的极限载荷数据是依据国际电工委员会IEC 61400-1 (2005)风力发电机组安全要求指定的极限载荷工况,利用风力机大型设计软件GH BLADED计算得到。在极限工况中,50年一遇极限风速取为70 m/s湍流强度定为A类,并分别依据公式确定极端风向变化值、极端相干阵风幅值及极端风速切变等。另外,还需在BLADED中设置风轮的结构参数。
      建立风力机叶片模型,取安全系数为1.2,计算叶根处极限载荷。轮毂静态载荷检验所采用的极限载荷加载数据,载荷叶片坐标系分别施加在3个叶片根部,其中FY,FZ,MY,M,Mz分别对应于叶片坐标系中的Fxa,Fra,Fza,MXxa,MR,MAR。
      轮毂强度分析包括三维几何建模、有限元网格划分、载荷施加及运用ANSYS软件进行应力数值计算分析等。轮毂模型中非关键部位对轮毂整体力学性能影响非常小,而引入这些细小特征会破坏网格质量,甚至影响计算结果的精度;因此,建模时对轮毂上细小的特征进行了相应简化。简化的原则是在保证计算精度的前提下,省略非关键部位对轮毂整体刚度作用较小的一些特征,如小的倒圆和倒角等,以提高网格质量精度和CPU的计算分析速度。轮毂所受到的载荷及约束是通过叶片和主轴传递的,若直接将载荷施加在轮毂上,会影响计算结果的可靠性,需要在轮毂上,引入叶片假体和主轴假体,轮毂与假体在ANSYS中设置为刚性连接。在有限元网格划分中,采用网格自动生成法,由于模型的外形尺寸较大,设置网格总体尺寸为30 mm。对叶片假体施加载荷,对主轴假体施加全约束,施加载荷时以每个叶片的坐标系为基础,分别施加6个交变载荷。经计算得到轮毂最大应力云图。可知轮毂的最大应力为102.09 MPa,且最大应力处位于轮毂与主轴连接的边缘。本轮毂采用高强度球墨铸铁QT400-18作为轮毂材料。
      轮毂的屈服极限220 MPa,根据CCS风力发电机组规范,取材料的一般局部安全系数y=1.1,则其许用应力200 MPa,故轮毂最大应力102.09 MPa,说明轮毂强度远远满足要求。
      轮毂最大应力远小于球墨铸铁的许用应力200MPa,轮毂最大应力只要在球墨铸铁许用应力以内,轮毂在运行中就是安全的。


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