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高強度螺栓是聯(lián)接兆瓦級風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)中重要相關(guān)部件的重要元件，其聯(lián)接的可靠性決定著塔筒與偏航齒圈之間的聯(lián)接可靠性。而兆瓦級風力發(fā)電機組偏航振動過程中的軸向載荷、轉(zhuǎn)矩以及傾覆力矩將直接影響高強度螺栓聯(lián)接的可靠性及其大型風力發(fā)電機組運行的安全性。因此，對兆瓦級風力發(fā)電機組偏航齒圈螺栓聯(lián)接強度進行有限元分析和處理顯得十分緊迫和重要。
傳統(tǒng)螺栓聯(lián)接強度理論往往被用于對螺栓組聯(lián)接受軸向載荷或傾覆力矩的情況進行分析，其結(jié)果卻不太令人滿意。近年來，德國標準VDI2230工程算法、有限元分析方法或兩者相結(jié)合的方法階等被廣泛用于螺栓聯(lián)接的研究中，如Croccolo等運用VDI2230與有限元分析相結(jié)合的方法對螺栓聯(lián)接的力學性能和疲勞強度進行模擬仿真，并通過實驗加以驗證。而對于起聯(lián)接作用的高強度螺栓來說，由于Schmidt-Neuper法主要適用于塔筒連接處螺栓聯(lián)接形式，并不適用于塔頂法蘭與偏航齒圈處高強度螺栓聯(lián)接形式，而有限元仿真分析法在解決此類問題時具有明顯的優(yōu)勢，可在兆瓦級風力發(fā)電機組設(shè)計初級階段預先實現(xiàn)對關(guān)鍵零部件進行靜強度疲勞分析，并可得到關(guān)鍵零部件如螺栓連接的應力及疲勞壽命，為此，本文將有限元仿真分析方法對兆瓦級風力發(fā)電機組偏航齒圈螺栓聯(lián)接強度進行仿真分析，其研究結(jié)果將對解決風力發(fā)電機中類似的螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)強度靜力學性能分析具有指導意義，并可為兆瓦級風力發(fā)電機組的穩(wěn)定運行與可靠性設(shè)計提供理論依據(jù)。
兆瓦級風力發(fā)電機組偏航過程動力學系統(tǒng)可以由非自由質(zhì)點系表示。在動力學有限元分析中，兆瓦級風力發(fā)電機組偏航過程動力學系統(tǒng)的求解方程可以用下式描述，兆瓦級風力發(fā)電機組偏航過程動力學系統(tǒng)的節(jié)點位移；dZS(t)/dt2為兆瓦級風力發(fā)電機組偏航過程動力學系統(tǒng)的節(jié)點加速度向量；dS(t)/dt為兆瓦級風力發(fā)電機組偏航過程動力學系統(tǒng)的節(jié)點速度向量；M,c,x和Q(t)分別為兆瓦級風力發(fā)電機組偏航過程動力學系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和節(jié)點載荷向量，分別由各自的單元矩陣和向量集成。與靜力分析相比較，在動力分析中，由于慣性力和阻尼力出現(xiàn)在平衡方程中，因此，引入質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，最后得到以常微分方程組形式表示的求解方程。采用直接積分法中的中心差分格式對運動方程進行積分，在給定初始條件和一定的起步計算方法后就可以利用式求解兆瓦級風力發(fā)電機組偏航過程動力學系統(tǒng)各個離散時間點的位移，但應注意中心差分法是條件穩(wěn)定算法。在Pro/E中建立幾何模型，由于整個MW級風力發(fā)電機模型結(jié)構(gòu)復雜，細小零件繁多，為重點分析偏航齒圈與塔架法蘭連接處的高強度螺栓，對整個模型進行了一些合理簡化，如將偏航齒圈上的齒去掉，以圓環(huán)的形式替代，其他特征保持不變；將偏航齒圈、塔架法蘭、螺栓模型中一些不會對整體分析產(chǎn)生影響的倒角修剪特征及螺栓的螺紋予以刪除。在滾動式偏航軸承螺栓連接內(nèi)外圈受載后的變形是相互獨立的，只研究偏航齒圈與塔架法蘭處的螺栓聯(lián)接，故可將橫向吊桿組件予以刪除等，具體模型如圖所示。
若從整個系統(tǒng)來分析偏航齒圈與塔架法蘭處的螺栓應力強度，則前處理重復步驟繁雜，計算時間較長。考慮到整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何對稱性和最大受載螺栓及其極限工況，建立單個螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的1/88局部模型，模型包括偏航齒圈、塔架法蘭的局部模型及與其連接的單個高強度螺栓。對于預緊力狀態(tài)下的高強度螺栓連接模擬方法主要有：1)一維梁單元模擬螺栓，螺紋連接處用MPC連接進行模擬；2)實體單元模擬螺栓，螺紋連接處用綁定連接進行模擬。在運用實體單元模擬螺栓時，即使不建立詳細完整的螺紋細節(jié)，其數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果在螺桿部位差別也不大，故可以只建立螺栓頭、螺栓桿圓柱體、螺紋嚙合部位光桿部分圓柱體來模擬螺栓實體單元。由于ABAQUS在處理有限元非線性問題和Hypermesh在劃分網(wǎng)格精度上的優(yōu)勢，采用Hypermesh對零件六面體單元網(wǎng)格進行劃分，并在相應部位進行網(wǎng)格加密，單元總數(shù)為13234個，如圖所示。將網(wǎng)格文件導入ABAQUS中選用縮減積分單元C3D8R，該單元具有較強的接觸模擬能力，且相對于協(xié)調(diào)單元計算成本較低，同樣能得到較理想的計算結(jié)果。
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