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ANSYS作為一種強(qiáng)大的有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天、汽車(chē)、船舶等各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中必不可少的工具。BLADE是Garrad Hassanand Partners Limited公司研制的一款風(fēng)力機(jī)大型設(shè)計(jì)軟件，這套軟件可以對(duì)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中的各個(gè)部分，包括葉片翼型選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算、傳動(dòng)鏈的配置形式、控制方式的選擇、載荷的計(jì)算、疲勞分析等進(jìn)行有效的計(jì)算與驗(yàn)證，是目前不可多得的功能較豐富的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件。本文基于ANSYS強(qiáng)大的分析功能，通過(guò)BLADE軟件在計(jì)算機(jī)上建立風(fēng)力機(jī)的數(shù)字化實(shí)時(shí)仿真器，模擬出風(fēng)力機(jī)在各種不同的運(yùn)行情況下葉片及輪轂的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而篩選出載荷計(jì)算報(bào)告中的極限值作為應(yīng)力初始值，對(duì)研制的1MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂進(jìn)行有限元分析，獲得了比較好的效果，同時(shí)縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用。
本文以1MW機(jī)型SUT-1000的輪轂部分為研究對(duì)象，分析輪轂的強(qiáng)度及輪轂與葉片間連接螺栓的強(qiáng)度校核，結(jié)構(gòu)形式與載荷坐標(biāo)系見(jiàn)圖，輪轂構(gòu)型見(jiàn)圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪由三片葉片對(duì)稱(chēng)安裝在輪轂上構(gòu)成，兩片葉片間的夾角為120°。葉片與輪轂依靠軸承連接，并用螺栓分別緊固在軸承的內(nèi)外圈上，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)同步盤(pán)實(shí)現(xiàn)變槳距功能。葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷以及由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)和機(jī)艙對(duì)風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的離心力、慣性力和重力通過(guò)三片葉片傳遞給軸承并最終通過(guò)螺栓傳遞到輪轂上，這些載荷和輪轂自身的重力構(gòu)成了輪轂載荷。由于輪轂結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，當(dāng)輪轂承受葉片傳來(lái)的各種靜載荷和交變載荷時(shí)，在輪轂法蘭盤(pán)處很容易引起應(yīng)力集中。因此輪轂設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和使用壽命，有必要對(duì)輪轂進(jìn)行受力分析以確定輪轂各個(gè)部位應(yīng)力分布，為輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極限載荷計(jì)算是依據(jù)IEC61400-1指定的載荷工況，利用風(fēng)力機(jī)大型設(shè)計(jì)軟件BLADE計(jì)算得到，安全系數(shù)取1.35。BLADE中模型的建立見(jiàn)圖，葉片根部載荷報(bào)告見(jiàn)表。輪轂有限元模型的建立是通過(guò)SOLIDWORKS軟件形成PARASOLID格式的實(shí)體轉(zhuǎn)入ANSYS中，再進(jìn)行分網(wǎng).輪轂?zāi)Ｐ筒捎?0節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，葉片與輪轂連接面的中心與螺栓中心及螺栓長(zhǎng)度用多點(diǎn)約束梁?jiǎn)卧B接。應(yīng)用有限元素法，靜力分析方程可歸納得到三個(gè)附加方程，故可以處理實(shí)體單元與梁?jiǎn)卧g不同自由度數(shù)之間耦合的問(wèn)題，有限元模型見(jiàn)圖，共劃分57098個(gè)單元，97960個(gè)節(jié)點(diǎn)。
依據(jù)BLADE軟件計(jì)算得到的極限載荷值表施加極限載荷，輪轂材料屬性見(jiàn)表。在輪轂與主軸連接螺栓處建立節(jié)點(diǎn)，并施加UX、Uy、UZ三個(gè)方向，以模擬輪轂真實(shí)約束情況，葉片載荷在三片葉片與輪轂連接面中點(diǎn)，按葉片局部坐標(biāo)系分別施加，有限元計(jì)算效果圖見(jiàn)圖，從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，輪轂與葉片連接區(qū)域或輪轂與主軸連接區(qū)域應(yīng)力較大，最大應(yīng)力出現(xiàn)輪轂與主軸連接螺栓點(diǎn)處，最大單點(diǎn)等效應(yīng)力為151MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，故該輪轂設(shè)計(jì)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。從有限元計(jì)算結(jié)果中提取輪轂與葉片連接螺栓載荷，以校核輪轂與葉片間螺栓的強(qiáng)度，這里載荷輸出為軸向力，軸向力受拉為正，受壓為負(fù)，經(jīng)ANSYS有限元提取葉片1上螺栓的最大軸向力出現(xiàn)在前端23868節(jié)點(diǎn)處，為260086.7N；葉片2上螺栓的最大軸向力出現(xiàn)在前端25260節(jié)點(diǎn)處，為215345.7N；葉片3上螺栓的最大軸向力出現(xiàn)在前端22428節(jié)點(diǎn)處，為230742.9N，本文選取238686節(jié)點(diǎn)處的螺栓為研究對(duì)象，選取危險(xiǎn)載荷狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度校核，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至水平位置時(shí)，葉片與輪轂連接處的螺栓受橫向載荷最大，載荷值為葉片的重力G=44100N。
利用BLADE和ANSYS軟件對(duì)輪轂進(jìn)行受力分析不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，而且能較真實(shí)地反映輪轂的受力情況，為后續(xù)的輪轂設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了重要依據(jù)。
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