兆瓦级风电机组焊接机架和结构螺栓的分析计算研究

【摘 要】在对兆瓦级风电机组进行生产设计以及相关运行维护的过程中，加强相关使用和维护认证具有重要意义，这是保障其基本运行与设计质量的关键所在。兆瓦级风电机组的严格认证是其自身属性决定的，只有这样才能保证风电机组的质量、安全运行。因此，一些国家甚至将风电机组认证作为专项法律加以规范。就目前风电机组认证市场规范情况来看，规范标准主要是IEC 614001、德国劳埃德（GL）认证规范和丹麦的DS 472标准，而国内则以北京鉴衡认证中心为准。

【关键词】兆瓦级 风电机组 焊接机架 结构螺栓

风电机组焊接机架结构十分复杂，其作为风电机组当中一个十分重要的部件对整个机组的运行至关重要。因为机架属于风电机组的承力部件，其承载着主轴轮毂全部荷载以及齿轮箱造成的荷载。另外就是发电机以及偏航电机的荷载也都归属于机架结构。基于这种情况，通常会对机架进行计算分析，确保其使用期限在20年范围内。另外，需要注意的是风电机组发挥作用需要螺栓进行连接，实现对螺栓的分析，是保障机组安全性的关键。本文正是针对兆瓦级风电机组焊接机架以及结构螺栓进行分析计算研究。

一、机架极限强度计算与分析

在三维软件当中生成几何模型，根据有限元计算法以及结构力学方法实现机架强度分析，简化相关部件。根据建立完成的模型，进行网格划分与边界定义。为了保障准确性，可以进行网格质量检测。

需要注意的是安全裕度Msult的定义，也就是Msult=[σ]/σm-1，其中当安全裕度值范围>0时，机架结构会保持在稳定性良好的状态下，也就是说，这种情况下的机架处于安全状态。这其中的σ表示的是材料本身的许用应力。σm则为经过计算得到的最大应力值。这当中σs表示为 材料本身的屈服极限值；另外， n 则表示的是安全系数，通过分析机架静强度，以GL 当中的5.3.2.1 节为规范，取得安全值为1.1。通过整体架构与分析，比较16 轮毂的应力情况，以及机架最大应力值情况。

二、机架疲劳寿命计算与分析

从结构上看，机架疲劳寿命计算与分析与静强度计算分析模型基本相似，但是焊接结构中的机架疲劳寿命计算分析则又有自身的特点。因为机架疲劳造成的破坏主要是在焊缝当中，因此，会需要对焊缝处形成两个单元。焊址位置上的应力数值可以通过分析得到，根据焊接规定中的论述，在进行有限元计算的过程中应力数据会出现变化。

考虑疲劳安全系数，机架焊缝疲劳损伤判据为：

γm――焊缝的安全系数，取为1.1；σx S，d――焊缝许用疲劳正应力，由焊缝疲劳等级确定；τxyS，d――焊缝许用疲劳切应力，由焊缝疲劳等级确定；σx S，d 和τxy S，d 之间的数据依据GL 标准当中提供的SN 曲线联合疲劳寿命数据得出推导结果。另外，十分重要的一点内容是机架模态分析。也就是为了能够实现机架固定频率以及风机频率一致的一种模态，机架需要建立共振环境。通过这种共振环境分析，机架结构能够得到很好的反映。

三、结语

综上所述，因为机架结构十分复杂，负载情况也受到多方面因素的影响，在分析强度的过程中基本上采用有限元的计算法。另外，分析机架疲劳和使用寿命的过程中，则采用有限元加静止坐标轮毂载荷分析。通过提取相关热点的应力值，得到焊趾处应力。另外，根据单位载荷和焊址处应力的关系，对疲劳载荷普利用通道合并和雨流统计方法得到焊缝的等效疲劳载荷，再根据GL 规范提供的材料SN 曲线和循环次数得到许用疲劳正应力和许用疲劳正应力，利用EC 3 1-9 中提供的焊缝疲劳损伤判据判断热点是否安全。

参考文献：

[1]西北工业大学，等. 机械设计[M]. 上海： 人民教育出版社，1998.

[2]杨校生，何家兴，等. 风力发电机组设计导则[M].北京： 机械工业出版社，2011.

[3]Germanischer Lloyd，Rules and regulations，IV-Industrial Services，Part 1-Guideline for Certification of Wind Turbines. 2010Edition.