风力发电机塔筒顶部法兰的有限元分析.pdf

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1、现代制造工程2010年第4期CAD／CAE／CAPP／CAM风力发电机塔筒顶部法兰的有限元分析+杜静，常慧英，石秉楠(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)摘要：使用非线性有限元软件Msc．Ma∥Mentat建立风力发电机塔筒顶部法兰联接的有限元模型，施加合理的边界条件和载荷后，通过非线性接触分析得到在预紧工况和极限工况下各组件的应力分布和变化情况，并对塔简顶部法兰接触面进行安全性校核和塔筒顶部法兰与塔筒筒体焊缝处的疲劳寿命分析。分析结果表明，该塔筒顶部法兰的强度、安全性和焊缝处的疲劳寿命均满足设计要求。且结果为大型风力发电机法兰合

2、理设计和性能强化提供了科学依据。关键词：有限元法；塔筒顶部法兰；非线性接触；风力发电机中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：167l—3133(20lO)04—0054—05FiIliteelementanalysisofwindturbinetowertopnange。DUJing，CHANGHui-妒ng，SHIBing—naIl(TheStateKeyLaboratoryofMechallical7rransmission，ChongqingUnivers时，Chongqing400030，China)Abs打ad：Usingno

3、Illinearfiniteelementsoftwa陀MSC．Marc／Mentat伪tabli8haFEAmodelofwindturbi∞t叩n蚰gec0衄ec—tion．B鹊edon印plyingappmpriatebomldarycondition肌dloads，tllestr∞sdistributionandtlle8tressv丽ati蚰ofeachc砌po-nentwe他obtainedwithtlleImtIIodofnoIllinearcomactaIlalysis帅derthecaseofpm—tigIltenworkco

4、nditi∞舳dmeliⅡIited咖-diti叩．rI'Ile肌aly8i8D瞄ultsindicatetllattllestrengtII卸d鸵curityofn卸ge蛐dtIlefatiguel如fiUetweldⅡ雠tdesi印r；eqlIire-m朗协．-11Ier豁ulth鹊aguidiIlgmleformtionaldesi印锄dpe而珊粕ceimpmvement0fk伊·scale埘ndturbi眦narIge．1【eywords：finiteelementmethod；towertopnange；nonline盯contact

5、；windtIIrbine塔筒顶部法兰是风力发电机运行时的主要受力部件之一，它与偏航刹车盘、偏航轴承通过螺栓联接。在风力发电机组工作时，作用于叶轮和机舱的载荷将通过偏航轴承传递到塔架上。这些载荷包括叶轮所受到的气动载荷，如升力、阻力、轴向推力、气动弯矩和气动转矩等。由于风速风向的不稳定性，机组运行时塔筒顶部法兰承受的载荷是动态变化的，很容易遭到破坏⋯。为提高风力发电机运行的可靠性，需要对塔筒顶部法兰联接部分进行结构强度分析。本文采用整体建模的思路，利用有限元理论分析塔筒顶部法兰面的接触应力，并且对塔筒顶部法兰与塔筒筒体的焊缝连接进行疲劳寿命分析

6、。1整体模型的接触分析1．1几何模型几何模型在Pm／E中建立，本文重点分析塔筒顶部法兰的接触，所以简化轴承内圈，建立偏航轴承外·重庆科技攻关重点项目(CSCl200r7AB3052)54圈与偏航刹车盘和塔筒顶部法兰的螺栓联接模型。如图1所示。图l偏航组件的几何模型1．塔筒(塔顶连接法兰)2．偏航刹车盘3．偏航轴承外圈4．螺栓1．2有限元模型在MSC．Marc／Mentat中建立塔筒顶部法兰接触的有限元模型，如图2所示。模型均采用六面体单元划分，为了减小结构的关键部位对计算结果的影响，在塔筒顶部法兰圆角处的网格适度加密，单元总数为76104，节点

7、总数为113486。模型包括偏航轴承外圈、偏航刹车盘、塔筒顶部CAD／CAE／CAPP／CAM现代制造工程2010年第4期法兰和84个螺栓等可变形接触体，各部件所用的材料均为低合金高强度结构钢，其弹性模量为2．06×105MPa，泊松比为0．3，密度为7．85x10胡L／mm3，根据实际的装配关系，建立如表1所示的接触关系。表1中：T为接触(touching)；G为粘接(glue)；括号中数值为接触对的摩擦因数旧]。表1接触设置偏航轴承外圈偏航刹车盘塔简顶部法兰螺栓螺栓与偏航轴承外圈在螺纹联接处有55咖的螺纹啮合，本模型中通过粘接(斟ue)关系

8、来耦合接触双方的自由度，以模拟螺纹联接。偏航轴承处的极限载荷为：以=一444．2kN巴=一1350．8kNMxy=一4570．7kN·m约束塔筒底部端