直驱型风力机组的底盘与发电机连接强度分析

【前言】直驱型风力机组的底盘与发电机连接强度分析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2 底盘与发电机连接螺栓强度分析的意义 与双馈型风力发电机组不同，直驱型风力发电机组的风轮直接与发电机相连，中间省去了主轴、齿轮箱及其附件等部件，在风的作用下旋转的风轮直接将动能传递给发电机来产生电能。这种直驱型风力发电机组没有齿轮箱，可减少传动损耗...

摘 要：直驱型风力发电机组各部件之间的连接螺栓的强度直接影响着整个风力机组的性能和使用寿命。应用ANSYS有限元分析软件，对某MW级直驱型风力发电机组的机舱底盘与发电机的连接螺栓进行极限强度分析，得到了连接螺栓在不同极限工况下的应力大小以及接触面的接触状态，验证了该处的连接螺栓能够满足设计工况的极限强度要求。

关键词：风力发电机组；连接螺栓；有限元；ANSYS；极限强度

1 背景

可再生能源的开发利用，对解决能源问题和环境问题具有重要的作用，是实现可持续发展的战略选择。风力发电整个过程都不产生任何污染，是真正的绿色能源。风电技术自上世纪八十年展起步，步入本世纪初，欧洲、北美、中国等地区和国家迅速开发风电产业，当前我国风电产业也发展十分迅速，功率从kW级别发展到MW级别，结构尺寸也越来越大。传统的计算分析方法已经不能满足风力发电的设计要求，应用新的3D建模软件和计算分析软件，可以使风力发电机组的设计和分析的更加精确，从而保证我国风力发电技术的良好发展。

ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、化工、汽车、电子、机械、土木工程等各个研究领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题[1]，是现代设计中必不可少的分析工具，在风力发电机组的设计分析中起着至关重要的作用。

2 底盘与发电机连接螺栓强度分析的意义

与双馈型风力发电机组不同，直驱型风力发电机组的风轮直接与发电机相连，中间省去了主轴、齿轮箱及其附件等部件，在风的作用下旋转的风轮直接将动能传递给发电机来产生电能。这种直驱型风力发电机组没有齿轮箱，可减少传动损耗，提高风力机的发电效率；同时，简化了传动结构，提高了机组的可靠性，从而降低了运行及维护成本[2]。

直驱型风力发电机组的发电机一侧与轮毂相连，另一侧通过高强度螺栓固定于机舱的底盘上，然后通过底盘以及偏航轴承等部件固定于塔架上方。因此，机舱底盘与发电机之间的连接螺栓承受着轮毂传递过来的不同工况下的力与力矩及其发电机自身的重力，其螺栓的强度对风力发电机组的可靠性起着重要的作用。

底盘与发电机的连接螺栓在连接位置处圆周均布，因此在相同载荷下不同位置的螺栓受力各不相同，同时，风力发电机组有多种工况，不同工况下产生的载荷情况也不相同，因此，连接螺栓的受力情况比较复杂，应用传统的工程计算方法来计算螺栓的强度较麻烦且准确性不高[3]。采用有限元分析法，应用有限元软件ANSYS构建了该结构的有限元计算模型，对连接螺栓进行了不同工况的强度分析，并且根据分析结果验证了连接螺栓的可靠性。

3 连接螺栓的强度分析

3.1 底盘与发电机连接螺栓的几何分析模型

底盘与发电机连接螺栓的几何模型如图1所示，发电机通过两排均布的10.9级M36螺栓与机舱底盘连接，内外两圈的螺栓数均为60个，其中内圈螺纹孔的分布直径为1700mm，外圈螺纹孔的分布直径1900mm。由于连接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相应的单元，因此该几何模型只需确定螺栓孔位置与大小即可。

由于本次分析主要是分析连接螺栓的强度，因此本次分析中的底盘与发电机的几何模型在原设计结构的基础上进行了简化，将小的孔类、圆角及小凸台等对计算结果影响很小的结构略去，这样可以在保证计算精度的前提下，降低网格划分难度，缩短计算时间。

3.2 材料特性

在有限元分析计算中，结构的静强度分析所需的材料特性主要是材料的弹性模量和泊松比。文章的底盘和发电机均为铸件，其材料为球墨铸铁QT400-18AL，该材料的弹性模量为1.73×1011Pa，泊松比为0.3。10.9级的高强度螺栓的材质一般为低碳合金钢或中碳钢，屈服强度为940MPa，而所用的螺栓垫圈的材料为Q345E，它们的弹性模量均为1.73×1011Pa，泊松比为0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 结构的网格划分

网格划分是建立有限元模型过程中最复杂最关键的一部分，网格质量的好坏以及所选择的的单元类型直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度[4]。底盘与发电机部分是将Solidworks建立的三维模型直接导入ANSYS中，然后分别进行网格划分得到所需单元。由于底盘结构复杂且形状不规则，该结构的单元类型采用SOLID187四面体单元，而发电机是规则的轴对称结构，故单元类型采用SOLID185六面体单元，采用这种网格划分形式，可以在保证计算精度的前提下加快计算速度。螺栓部分则直接在ANSYS中采用BEAM188梁单元建立相应的单元模型，BEAM188梁单元的截面大小按M36螺栓的应力截面面积进行设定。完成网格划分的有限元模型如图2所示。

3.3.2 载荷及边界条件的施加

底盘与发电机的连接螺栓承受的载荷主要是轮毂中心处的极限工况载荷和发电机的重力。在轮毂中心处建立节点，该节点与发电机端面节点做MPC绑定接触，在该节点处施加由风力机载荷计算软件Bladed软件计算得到的16组极限工况载荷，节点的坐标系采用GL规范中规定的轮毂坐标系[5]，坐标系方向如图3所示。在发电机重心位置建立节点，同理，该节点与发电机部分内表面做绑定接触，并在该节点处施加发电机重力。分析中发电机与机舱底盘的接触面之间定义摩擦接触关系，摩察系数大小取0.2，在主机架下端节点上施加全约束，即约束该面上所有节点的X、Y、Z三个方向上位移和旋转自由度。

3.4 求解计算与结果分析

由于该结构的有限元计算模型涉及到接触非线性问题，并且连接螺栓在受载荷力之前需施加螺栓预紧力，因此，求解过程采用多载荷步的方式进行计算，第一步施加螺栓预紧力，第二步施加螺栓所受的极限工况载荷。

运用ANSYS软件分别计算比较轮毂中心处的16组极限工况载荷下螺栓的应力大小，可以得到My-min工况下螺栓组的应力最大。My-min工况下轮毂的极限载荷为：Mx=-3.51kN・m，My=-4457.1kN・m，Mz=-2192.2kN・m，Fx=-110.6kN，Fy=90.5kN，Fx=-778.7kN。在该工况下，螺栓组整体应力结果和最危险螺栓应力结果分别如图4和图5所示，从图中可以看出，螺栓组的最大应力为746 MPa。10.9级的螺栓的屈服应力为940 MPa，根据风力发电机组的相关规范，螺栓的安全系数为1.1，则螺栓的许用应力为854.5 MPa，因此，该组连接螺栓在极限工况下能够满足静强度要求。

底盘与发电机之间的连接螺栓，除了满足强度要求外，还需要考虑它们接触面之间在预紧力和极限载荷作用下，圆周方向是否会发生滑移，应避免使螺栓承受剪切力。通过ANSYS的计算分析，可以得到接触面之间的接触状态，图5为在My-min工况下发电机与底盘的接触状态分布图，从图中状态分布可知，接触状态较好，接触面之间没有发生滑移。

4 结束语

通过上述有限元的分析计算，可以看出该MW级风力发电机组的机舱底盘与发电机之间的连接螺栓的极限强度满足各工况载荷的要求，同时它们的接触面之间也不会发生使螺栓承受剪切力的滑移。通过上述分析过程，可以看出与传统工程计算方法相比，采用有限元法分析受力复杂螺栓组的极限强度，能够缩短计算时间，提高计算的准确性。

在实际设计生产中，螺栓的强度分析除了要进行极限强度分析外，还需进行疲劳强度的分析。需要根据螺栓所受的载荷时间历程和螺栓的S-N曲线等内容来进行分析计算，最终确定螺栓是否能够满足疲劳强度的要求。

参考文献

[1]刘伟，高伟成，于广滨.ANSYS12.0宝典[M].北京：电子工业出版社，2010（7）.

[2]姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2009（6）.

[3]王健.变载荷工况下风力发电机连接部件接触强度分析研究[D].新疆：新疆大学，2010（6）.

[4]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京：北京大学出版社，2003.

[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z]. 2010.

[6]何玉林，雷增宏，石秉楠.MW级风力发电机组轮毂连接螺栓接触强度分析[J].现代制造工程，2011（04）：110-114.

[7]李军，杨洁明，高俊云.大型风力机组塔架螺栓连接应力分析[J].钢结构，2011（07）：30-33.

作者简介：张晓琳（1987-），女，山东青岛，工程师，硕士，主要从事风力发电机组的结构强度分析的研究。