麥爾哈巴·玉山江，樊 軍，關(guān) 武

（新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

大型風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部熱源比較多，主要有齒輪箱、發(fā)電機、電纜線、制動盤等。這些熱源導(dǎo)致機艙罩內(nèi)溫度升高，嚴(yán)重影響風(fēng)機的正常運行和使用壽命，最有效的解決方案就是在機艙頂部加裝外部水冷結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)強度必須要滿足設(shè)計認(rèn)證要求，因此有必要對其進行靜力學(xué)強度分析。

1 模型的建立

1.1 實體模型

用SolidWorks建立水冷結(jié)構(gòu)的實體模型，然后在Hypermesh中建立有限元模型，用ANSYS13.0進行求解和后處理。

水冷結(jié)構(gòu)的三維實體模型如圖1 所示。

1.2 有限元模型

水冷結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2 所示，角鋼、圓管結(jié)構(gòu)采用殼單元Shell281模擬，實體單元采用Solid45，共建了23 469個單元。

圖1 水冷結(jié)構(gòu)的實體模型

圖2 水冷結(jié)構(gòu)的有限元模型

1.3 載荷、材料、邊界條件

1.3.1 載荷

水冷結(jié)構(gòu)的6個底板完全固定在機艙罩上，散熱板正方向受到2.1kN／m2的壓力，受風(fēng)面積約為2.1 m2。根據(jù)新疆大阪城風(fēng)區(qū)選擇出極限風(fēng)速（50年一遇平均風(fēng)速）為：v50＝42.5m／s。風(fēng)速與壓強的關(guān)系為：

其中：pwind為風(fēng)對散熱板的壓強；ρ為空氣的密度，ρ＝1.225kg／m3；Cp為壓強系數(shù)，Cp＝0.8。

將數(shù)值代入式（1）計算得pwind＝885.06Pa，載荷以壓強的形式加載在散熱片上。

1.3.2 材料

散熱片采用鋁合金3003，其 彈性模量為7×1010Pa，泊松比為0.3，質(zhì)量為252kg；支持結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)鋼Q235B，其彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3。

1.3.3 邊界條件

對基座施加x，y，z方向的平動約束。

2 計算結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)改進

2.1 結(jié)果分析

計算結(jié)果如圖3 ～圖7 所示。最大應(yīng)力為432 MPa，其中，4號與12號、11號與12號、3號與4號支架連接處，以及4號和11號支架所受最大應(yīng)力均超出了Q235B的屈服極限（235MPa），所以結(jié)構(gòu)不能滿足要求，需重新設(shè)計。

圖3 應(yīng)力分布圖

2.2 改進方案

根據(jù)分析結(jié)果對水冷結(jié)構(gòu)進行了修改，如圖8 所示。重新分布連接散熱片的螺栓，將固定螺栓的鐵條厚度增加到10mm。

圖4 4號與12號支架連接處應(yīng)力分布

圖5 11號與12號支架連接處應(yīng)力分布

圖6 3號與4號支架連接處應(yīng)力分布

圖7 11號支架應(yīng)力分布

圖8 改進后的水冷結(jié)構(gòu)

2.3 水冷結(jié)構(gòu)改進后的計算結(jié)果

水冷結(jié)構(gòu)改進后的計算結(jié)果如圖9～圖1 2所示。改進后的最大應(yīng)力出現(xiàn)在9號與12號支架連接處，為214MPa，小于235MPa，各處應(yīng)力均未超出Q235B的屈服極限，滿足了設(shè)計要求。

3 總結(jié)

本文用SolidWorks建立了K型風(fēng)機冷卻結(jié)構(gòu)的實體模型，通過有限元分析的方法，對冷卻結(jié)構(gòu)進行了分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計中存在的問題，然后設(shè)計出了合理的結(jié)構(gòu)，確保設(shè)計結(jié)果的可靠性。

圖9 改進后的應(yīng)力分布圖

圖1 0 改進后9號與12號支架連接處應(yīng)力分布

圖1 1 改進后11號與12號支架連接處應(yīng)力分布

圖1 2 改進后11號支架應(yīng)力分布

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