鄭甲紅, 李 敏

(陜西科技大學機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

現(xiàn)代風力發(fā)電機組是集空氣動力學、機械工程、計算機控制技術(shù)等多學科技術(shù)于一身的高科技技術(shù)產(chǎn)品，設計如此復雜的系統(tǒng)需要完善的分析技術(shù)來支持.風電機組運行在隨機變化的自然環(huán)境中，受力情況非常復雜.由于風電組的大型化，結(jié)構(gòu)的變形也更加顯著，因此風電機組主要部件的靜力學問題和動力學問題更加突出.輪轂是風力發(fā)電機中連接主軸和葉片的關(guān)鍵部件，承擔抵抗風載、傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，體積較大，安裝不便，為了提高輪轂的安全性和可靠性，必須保證輪轂在承受靜載荷和高應力的情況下具有可靠的強度、剛度、抗疲勞破壞的能力和足夠的疲勞壽命，因此對輪轂進行精確地強度分析尤為重要.

本文應用ANSYS有限元分析軟件對風力發(fā)電機的輪轂進行了強度分析，詳細探討了疲勞仿真分析的技術(shù)和過程.從仿真分析計算的等效應力云圖以及整體變形圖中，可以直觀地判斷出該輪轂的危險區(qū)域，為輪轂設計提供有效依據(jù)，解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題.

1 輪轂三維建模

根據(jù)輪轂的外形特征，在Solidworks環(huán)境中創(chuàng)建輪轂模型.首先創(chuàng)建輪轂與葉片的接觸面，使用拉伸工具，然后是整個球外形的創(chuàng)建，采用旋轉(zhuǎn)命令，旋轉(zhuǎn)軸的創(chuàng)建要正確.輪轂與主軸法蘭的連接孔也通過相同的旋轉(zhuǎn)切除工具創(chuàng)建，最后的螺栓孔、倒角等細節(jié)可通過陣列和其他實體造型工具完成.輪轂最終的三維模型如圖1所示.

圖1 輪轂模型

2 輪轂有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文的輪轂模型是通過SOLID-WORKS軟件導入到ANSYS中的.對輪轂模型采用SOLID-95單元劃分，定義材料屬性及導入模型后對實體模型進行網(wǎng)格劃分，以生成有限元模型，這里充分利用ANSYS提供的功能強大的智能網(wǎng)格劃分器對實體模型進行劃分.由于網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果有一定的影響，過于密集的網(wǎng)格計算對計算機性能要求高，且耗時過多，這里采用的精度等級為10級，可以更快地獲得計算結(jié)果.輪轂有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示.

由于輪轂是一個連接件，其強度分析與其連接的零件有很大關(guān)系.在對輪轂進行有限元建模時，把軸承和主軸考慮進來，負責加載載荷和約束條件，與輪轂通過螺栓聯(lián)接.輪轂與主軸相連，為了反映真實的受力狀態(tài)，并且簡化模型，直接將其假設為固定接觸，即在全局坐標系下約束輪轂和主軸聯(lián)接端面節(jié)點的x、y、z方向平動自由度.約束施加完成后如圖3所示.

圖2 輪轂有限元模型 圖3 自由度約束

2.2 輪轂的載荷

輪轂的載荷如表1所示.

關(guān)于輪轂的載荷加載，可以在輪轂與葉片連接面的中心建立質(zhì)點，將葉片重力及力矩施加到質(zhì)點上，最后在質(zhì)點與輪轂和葉片連接面建立剛性約束.

接下來是對質(zhì)點模型進行網(wǎng)格劃分，以生成有限元模型.在點對象屬性分配對話框中，將編號為1的單元和材料號為1的單元付給實體模型，設置智能網(wǎng)格劃分水平后就可對其進行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格劃分完成后，對該質(zhì)點加載，定義分析類型→載荷施加,最后在質(zhì)點與輪轂和葉片連接面建立剛性約束.

表1 輪轂載荷表

2.3 計算結(jié)果

在上述載荷及約束條件下，輪轂的等效應力云圖見圖4，總變形圖見圖5.

圖4 等效應力云圖 圖5 總變形圖

從圖中可以看出輪轂與葉片連接區(qū)域和輪轂與主軸連接區(qū)域應力較大，但最大應力出現(xiàn)在輪轂與主軸連接螺栓處，在這種極限載荷下的最大等效應力σmax=53.64 MPa, 輪轂的抗拉強度為400 MPa，σmax< 400 MPa， 因此輪轂設計滿足強度要求.

3 結(jié)束語

用ANSYS有限元分析軟件，在合理簡化模型、正確加載與約束下，可以快速和深入地對復雜結(jié)構(gòu)進行分析，提高了計算精度和效率，計算結(jié)果形象直觀.根據(jù)分析結(jié)果可以進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，并且對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計起到極其重要的作用.

本文采用ANSYS有限元分析軟件，對風力機的輪轂進行了強度分析.通過分析計算，從圖4可以看出，輪轂的最大應力點出現(xiàn)在輪轂與主軸連接螺栓處，其主要原因是由于作用在該螺栓連接處的重量較大引起的.建議在此處可適當?shù)丶雍窦訌娎甙?，以提高底座的安全系?shù).

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