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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、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)系見圖，輪轂構(gòu)型見圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪由三片葉片對(duì)稱安裝在輪轂上構(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，通過液壓驅(qū)動(dòng)同步盤實(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、慣性力和重力通過三片葉片傳遞給軸承并最終通過螺栓傳遞到輪轂上，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)輪轂承受葉片傳來的各種靜載荷和交變載荷時(shí)，在輪轂法蘭盤處很容易引起應(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中模型的建立見圖，葉片根部載荷報(bào)告見表。輪轂有限元模型的建立是通過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度用多點(diǎn)約束梁單元連接。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)體單元與梁單元之間不同自由度數(shù)之間耦合的問題，有限元模型見圖，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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