沈小寧，趙澤湘

（湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南湘潭 411101）

0 引言

在進(jìn)行一項(xiàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，面對(duì)新的結(jié)構(gòu)，新的載荷形式，我們往往會(huì)有以下疑問(wèn)：零件的強(qiáng)度夠不夠？它會(huì)如何變形？它變形量有多大？能否在不影響性能的情況下用更少的材料等。這就需要我們對(duì)零件的應(yīng)力進(jìn)行校核計(jì)算。一般情況下，我們均采用傳統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度公式進(jìn)行校核計(jì)算，但是該方法村在一定的缺點(diǎn)，就是步驟多，有時(shí)候公式較為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)且容易出錯(cuò)，直觀性不強(qiáng)，不能適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)工作高效準(zhǔn)確直觀的要求。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分析軟件的飛速發(fā)展，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或復(fù)雜工況下也逐步借助分析軟件ANSYS有限元分析進(jìn)行設(shè)計(jì)校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在這次5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)架的設(shè)計(jì)中，我們采用了ANSYS軟件對(duì)該試驗(yàn)架進(jìn)行了受力分析。分析結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的可行性和經(jīng)濟(jì)性，取得了不錯(cuò)的效果，大大提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率。

1 5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)原理

如圖1所示，兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子分別安裝在試驗(yàn)架上面，中間用彈性聯(lián)軸器將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)對(duì)接，一臺(tái)用作電動(dòng)機(jī)，一臺(tái)作為測(cè)試機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)重約130 T，吊上安裝在試驗(yàn)架的法蘭盤(pán)上。由于發(fā)電機(jī)的重力和它對(duì)試驗(yàn)架的一個(gè)轉(zhuǎn)矩，會(huì)對(duì)試驗(yàn)架產(chǎn)生一個(gè)形變，如果形變過(guò)大，彈性柱銷(xiāo)不好安裝，而且在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)柱銷(xiāo)反復(fù)產(chǎn)生一個(gè)較大的折彎形變，造成柱銷(xiāo)的斷裂，影響試驗(yàn)結(jié)果。

2 有限元分析

2.1 模型說(shuō)明

如圖2所示，5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)架模型，試驗(yàn)架由法蘭盤(pán)、支架、立柱、底板等構(gòu)成，采用普通碳鋼Q235進(jìn)行焊接而成，總重約35 T。分別計(jì)算電機(jī)靜止安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)試驗(yàn)架的變形及應(yīng)力情況。

2.2 約束條件

對(duì)試驗(yàn)架底板下14個(gè)調(diào)整墊鐵的底面全約束，如圖3示。

2.3 載荷加載

用耦合剛性區(qū)加載方式。靜止時(shí)，在試驗(yàn)架法蘭盤(pán)螺栓安裝圓環(huán)面的中心點(diǎn)上施加130 T的集中力和1170000 N·m的力矩。分析電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)支撐臺(tái)的變形，額外對(duì)試驗(yàn)架法蘭盤(pán)螺栓安裝圓環(huán)面的中心點(diǎn)施加2652777 N·m的轉(zhuǎn)矩。

2.4 分析結(jié)果

2.4.1 電機(jī)靜止安裝時(shí)

支撐臺(tái)及各部件變形如圖4。

支撐臺(tái)整體最大變形為5.57 mm，在試驗(yàn)架的最上方；試驗(yàn)架的應(yīng)力圖如圖5。

支撐臺(tái)整體最大應(yīng)力為249 MPa，在支架連接電機(jī)法蘭盤(pán)的下方，由于法蘭盤(pán)的變形受到支架的約束，在局部應(yīng)力集中位置存在塑性變形。

2.4.2 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)

試驗(yàn)架整體最大變形為5.592 mm，在試驗(yàn)架最上方。試驗(yàn)架整體及部件應(yīng)力情況如圖6

試驗(yàn)架整體最大應(yīng)力為276 MPa，在支架連接電機(jī)法蘭盤(pán)的下方，由于法蘭盤(pán)的變形受到支架的約束，在局部應(yīng)力集中位置存在塑性變形。

3 結(jié)論

由以上數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)支架所受的最大應(yīng)力在材料許用范圍以?xún)?nèi)，形變量也是在彈性柱銷(xiāo)的可調(diào)范圍內(nèi)，所以該設(shè)計(jì)完全符合工況要求。

從以上的應(yīng)用實(shí)例我們可以看到，如采用傳統(tǒng)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算量比較大且效率不高，當(dāng)多個(gè)部件疊加時(shí)，分析難度將還要加大，時(shí)間周期也很長(zhǎng)，結(jié)果還不一定準(zhǔn)確，并且還得不到直觀的圖示。采用ANSYS進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的力學(xué)分析，可方便快捷的進(jìn)行機(jī)械零部件的應(yīng)力及變形量分析，極大地提高了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的效率和準(zhǔn)確性，是設(shè)計(jì)人員的一個(gè)非常有力的幫手。

[1] 聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[2] Ansys非線(xiàn)性培訓(xùn)手冊(cè)，ANSYS公司編制.

[3] 宋天霞. 有限元法. 武漢: 理工大學(xué)出版社,1987.