MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂主軸連接螺栓疲勞壽命分析

徐忠文 張曉琳 范平平 王燕

（沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司，山東青島 266000）

MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂主軸連接螺栓疲勞壽命分析

徐忠文 張曉琳 范平平 王燕

（沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司，山東青島 266000）

建立輪轂主軸連接螺栓有限元模型并進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制載荷-應(yīng)力關(guān)系曲線與時(shí)間-載荷歷程通道合并完成應(yīng)力譜轉(zhuǎn)化；基于GL規(guī)范計(jì)算連接螺栓S-N曲線的相關(guān)參數(shù)，利用FE-safe軟件雨流計(jì)算方法、Miner疲勞損傷累計(jì)理論、Goodman平均應(yīng)力修正法，完成輪轂主軸連接螺栓疲勞損傷計(jì)算，輪轂主軸連接螺栓疲勞損傷值表明風(fēng)電機(jī)組20設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，滿足設(shè)計(jì)要求。

連接螺栓 應(yīng)力譜 疲勞損傷

1 前言

輪轂主軸連接螺栓在承受輪轂與葉片重量的同時(shí)還承受葉輪吸收風(fēng)能產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷、慣性載荷與沖擊載荷，受載狀況復(fù)雜，因此輪轂主軸連接螺栓的可靠性要求較高。GL規(guī)范要求結(jié)構(gòu)或部件的完整性應(yīng)通過極限狀態(tài)的研究來驗(yàn)證，極限狀態(tài)可分，最終極限狀態(tài)、耐久性極限狀態(tài)。輪轂主軸連接螺栓交變載荷作用下疲勞壽命屬最終極限驗(yàn)證，本文主要分析輪轂主軸連接螺栓在風(fēng)電機(jī)組20年設(shè)計(jì)壽命內(nèi)經(jīng)受交變載荷后，損傷壽命是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 風(fēng)電機(jī)組輪轂主軸連接螺栓有限元模型

2.1 網(wǎng)格劃分

輪轂通過64根10.9級(jí)M42螺栓與主軸連接，實(shí)現(xiàn)了輪轂與主軸的可靠性連接。模型中螺帽與主軸假體采用SOLID185六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；螺栓采用應(yīng)力面積1120mm2的BEAM188梁?jiǎn)卧M(jìn)行網(wǎng)格劃分；輪轂采用高階四面體SOLID187單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 邊界條件

為避免局部應(yīng)力失真，分析過程中約束主軸假體后端節(jié)點(diǎn)三個(gè)方向的自由度；在輪轂中心建立節(jié)點(diǎn)并通過MPC多點(diǎn)約束梁?jiǎn)卧c輪轂三個(gè)凸臺(tái)表面節(jié)點(diǎn)連接；輪轂與主軸之間定義標(biāo)準(zhǔn)接觸關(guān)系，摩察系數(shù)取0.2；連接螺栓組施加特定預(yù)緊力后于輪轂中心節(jié)點(diǎn)施加疲勞極限載荷。

3 連接螺栓疲勞分析

3.1 螺栓疲勞極限載荷

計(jì)算過程中根據(jù)GL規(guī)范選取輪轂中心固定坐標(biāo)系，Bladed提供的載荷持續(xù)譜是不同工況空間坐標(biāo)系三個(gè)分量的彎矩與力，所以在輪轂中心點(diǎn)施加疲勞極限載荷，運(yùn)用ANSYS計(jì)算同一螺栓的應(yīng)力值，并根據(jù)載荷應(yīng)力關(guān)系繪制螺栓載荷應(yīng)力曲線，如圖1所示。

3.2 螺栓疲勞載荷譜

Bladed提供的載荷持續(xù)譜是時(shí)間-載荷歷程，為進(jìn)行疲勞壽命分析應(yīng)將持續(xù)譜轉(zhuǎn)化為載荷譜。利用螺栓載荷應(yīng)力曲線進(jìn)行時(shí)間-載荷歷程通道合并，實(shí)現(xiàn)時(shí)間-載荷歷程到時(shí)間-應(yīng)力歷程的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化流程圖如圖2所示。

3.3 螺栓S-N曲線

根據(jù)GL［1］規(guī)范建立能夠反映應(yīng)力幅值與疲勞壽命關(guān)系，適合計(jì)算螺栓疲勞壽命的S-N曲線。GL規(guī)定軋制后熱處理螺栓分類等級(jí)為71，公稱直徑d＞30應(yīng)按照K= （30d）0.25進(jìn)行螺栓等級(jí)修正；S-N曲線可分為兩段區(qū)域：

螺栓安全系數(shù)1.15，由此計(jì)算螺栓S-N曲線相關(guān)參數(shù)。

3.4 疲勞損傷準(zhǔn)則

螺栓疲勞壽命選擇Miner準(zhǔn)則進(jìn)行線性累計(jì)損傷即：循環(huán)載荷作用下，各個(gè)應(yīng)力之間相互獨(dú)立，各應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞損傷可線性累加，損傷累計(jì)數(shù)值達(dá)到特定值后，部件發(fā)生疲勞破壞。

3.5 疲勞損傷結(jié)果

由于螺栓平均應(yīng)力不等于零，選擇相對(duì)保守的Goodman平均應(yīng)力修正方法進(jìn)行分析；將通道合并轉(zhuǎn)化后的螺栓疲勞載荷譜導(dǎo)入FE-safe軟件中，利用該軟件的雨流計(jì)數(shù)法與Miner損傷累計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行螺栓的疲勞壽命計(jì)算。經(jīng)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組20年設(shè)計(jì)壽命中螺栓的總損傷： D20= 0.2353?1，所以輪轂主軸連接螺栓的疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文基于輪轂主軸連接螺栓的ANSYS分析結(jié)果與Bladed提供的時(shí)間-載荷歷程，利用通道合并完成了可用于螺栓疲勞分析應(yīng)力譜的轉(zhuǎn)化；又根據(jù)GL規(guī)范計(jì)算了螺栓S-N曲線的相關(guān)參數(shù)；最終利用FE-safe軟件的Goodman平均應(yīng)力修正法與Miner疲勞損傷累計(jì)理論完成輪轂主軸連接螺栓20年設(shè)計(jì)壽命總損傷值，所以此種方法是可靠的。這為今后風(fēng)電機(jī)組連接螺栓的設(shè)計(jì)、校核提供了方法。

［1］Germanischer Lloyd Wind Energize GmbH. Guideline for the certification of wind turbine［S］.Germany，2010.