关于金风109/2500机组机舱底座吊耳强度的分析

摘要 本文采用有限元法，对金风公司研发的109/2500，80m轮毂高度（采用LM53.2叶片）风力发电机组底座三个吊耳中的上方吊耳进行静强度分析，经过几何建模，计算分析此吊耳的受力情况，所得结果可更好地指导今后的实践。文中所用载荷系数根据“金风2.5MW机组海上组合工装吊装方案”计算所得，采用的分析工具为ANSYS v12.0软件。

关键词 风力发电机机组 吊耳 应力 有限元 静强度分析

【分类号】：U673.38

1 静强度分析

1.1 几何模型

由于吊耳强度分析的重点是吊耳，故将底座本体部分简化为一平面矩形钢板，三个吊耳尺寸都相同，这里以底座的上吊耳为例，其几何模型如图1所示。

图 1机舱底座上吊耳几何模型

1.2 设计强度极限

1.2.1 材料属性

2.5MW机组底座和吊耳结构采用QT400-18AL材料铸造而成，其材料物性参数如表1所示，数据来源参考文献[1]。

表 1 QT400-18AL材料物性参数

1.2.2

1.2.3 计算

吊耳板厚度在30mm～60mm范围内，故：

强度极限：拉伸强度 QUOTE QUOTE

屈服极限：屈服强度 （0.2%屈服强度）=250 MPa （考虑国内生产工艺适当降低）

局部材料安全系数：

设计强度极限：

1.3 有限元模型

采用20节点六面体Solid186单元对吊耳及矩形钢板结构结构划分网格，有限元模型如图2所示。

图2 机舱底座吊耳有限元模型

1.4 载荷及边界条件

根据API RP 2A[2]中2.4.2.c的规定：“对于在开敞暴露海域（即海上）进行的吊装，在设计吊点和形成与吊点相连的节点并将吊装力传递到结构内部的其他内部构件时，应使用最小为2.0的载荷系数计算静载荷。对于海上的其他位置（即在遮蔽海域的装船），载荷系数的选择应符合预计的现场情况，对于上述情况，载荷系数不能小于1.5。”，分别取载荷安全系数k为1.5和2.0对吊耳进行强度分析。

利用接触非线性模拟销与吊装孔间的装配连接和载荷传递，由于吊绳与吊耳立平面间的夹角很小，故本分析未考虑吊耳的面外载荷。实际作用在销上的面内载荷是通过卸扣与之接触传递的，参考文献[3]中所述，本分析使用三种加载方式进行对比分析：（a）吊绳方向正弦分布加载，（b）径向正弦分布加载 ，（c）两端均布加载

图3 销上载荷加载方式示意图

假定材料为线弹性，不考虑材料局部塑性。综合考虑安全系数及三种加载方式，底座上方吊耳计算方案及吊耳强度分析结果如表2所示。

表 2 机舱底座上方吊耳计算方案表

1.5

1.6 机舱底座上方吊耳计算分析结果

由表2中数据可见，在相同的安全系数下，加载方式（c）下吊耳应力水平最高，即A3和A6方案，这两种方案的吊耳孔压力和整个吊耳的应力云图分别如图4和图5所示。

（a）计算方案A3（k=1.5） （b） 计算方案A6（k=2）

图 4机舱底座上方吊耳耳孔压力云图

（a）计算方案A3（k=1.5） （b） 计算方案A6（k=2）

图 5机舱底座上方吊耳Mises应力云图

2.结论

由上述计算结果可知：对于机舱上方吊耳，当载荷安全系数取1.5时，最大应力189MPa，为达到材料屈服强度，安全裕度为1.2；当载荷安全系数取2时，最大应力达251MPa，刚好达到材料屈服强度，塑性区域局限于耳孔两端较小范围。由于篇幅的原因，机舱下方两吊耳的静载荷分析方法同上，这里不再赘述。

参考文献

1.曾正明，机械工程材料性手册（金属材料），机械工业出版社，第6版；

2.API RP 2A：2000 Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms- Working Stress Design.

3.肖文勇，佘凯.吊耳局部有限元建模技术分析.船舶工程，2009，31：94-97.

4.张朝辉，ANSYS8.0结构分析及实例解析 北京 机械工业出版社，2005