基于MSC.Patran风电机组主轴的有限元分析

摘 要：风电机组主轴承载着极其重要的载荷，为验证主轴自身结构的合理性，以有限元分析软件MSC.Patran作为分析平台对其进行强度分析。分析结果表明：在各极限载荷工况下，主轴的最大应力值均小于材料的许用应力，满足材料的强度要求，能够达到最初的设计要求。

关键词：风电机组 主轴 有限元分析

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0103-02

风电机组使用环境条件差，零部件所受的载荷变化多变，使得风电机及其零部件的使用寿命减少。尤其是风电机组的主轴，除自身重力外，还受风轮通过轮毂传导过来的主扭矩及轴向推力，一旦发生失效，整个风机将不能工作，因此需对主轴进行极限强度校核。采用经典力学方法很难直观地分析其受力状况，本文采用有限元方法对辽河石油装备制造总公司1.5 MW风电机组主轴分析。

3 约束与载荷

根据主轴安装过程中的特点，通过轮毂几何中心点建立锥形MPC将极限载荷施加在主控点，通过MPC刚性梁单元作用到轮毂假体上最后传递到主轴上，轴承内圈作为假体，内圈外环面上的节点与内圈中心节点用MPC刚性梁单元连接，在轴承中心点施加UX、UY和UZ位移约束，其目是要体现主轴与主轴承、胀紧套之间的装配关系[4]。

4 主轴的有限元分析

根据所建立的有限元分析模型，并利用MSC.Patran作为分析平台对主轴进行极限强度分析，得出主轴在极限载荷状态下的位移值和应力值，部分工况主轴的有限元分析云图如图2、3所示。

风机主轴的材料是34CrNiMo6，材料安全系数取γm=1.2，屈服极限=745 MPa，其许用应力[]=/γm，从而得：[]=745/1.2=620.8 MPa，故主轴最大应力=526 MPa

5 结论

本文对风电机组中重要的主轴进行强度分析和校核，得出应力分布规律和应变分布云图，最终安全余量约为1.2，通过此分析提高了本机型主轴结构设计的可靠性，也为其他机型同类产品的设计提供了一定的参考依据。

参考文献

[1] 夏盛来，何景武.基于工程应用的有限元网格划分研究[J].飞机设计，2008，28（4）：10-13.

[2] 杜平安.有限元网格划分的基本原则[J].机械设计与制造，2000（1）：34-36.

[3] 马爱军，周传月，王旭.Patran和Nastran有限元分析专业教程[M].北京：清华大学出版社，2005，1.

[4] 孙传宗，姚兴佳，单光坤，等.MW级风力发电机轮毂强度分析[J].沈阳工业大学学报，2008，30（1）：46-49.