基于FEMFAT的某型風(fēng)電機(jī)組底架疲勞壽命分析

文 | 范平平，張曉琳，徐忠文，王燕

基于FEMFAT的某型風(fēng)電機(jī)組底架疲勞壽命分析

文 | 范平平，張曉琳，徐忠文，王燕

底架支撐著風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)，是風(fēng)電機(jī)組的重要聯(lián)接紐帶，前部通過(guò)主軸、主軸承座連接著風(fēng)輪系統(tǒng)，后部支撐著增速箱及發(fā)電機(jī)，底部通過(guò)偏航軸承與塔筒連接。葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷以及由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)引起的離心力、慣性力和重力都會(huì)傳遞到底架上，這些隨著時(shí)間一直在變化的載荷使得底架的受力狀況非常復(fù)雜，主應(yīng)力的大小和方向都在不斷地發(fā)生變化，其疲勞計(jì)算不同于一般的單軸疲勞計(jì)算，屬于多軸疲勞計(jì)算，傳統(tǒng)的力學(xué)方法難以獲得可靠的疲勞分析結(jié)果。

本文基于 GL規(guī)范，利用FEMFAT軟件的ChannelMax模塊及ProFEMFAT插件作為計(jì)算平臺(tái)，先基于有限元方法進(jìn)行單向單位載荷的準(zhǔn)靜態(tài)靜強(qiáng)度分析，然后使用載荷時(shí)間序列和損傷累積方法，以最大損傷的橫截面作為疲勞失效的評(píng)估平面對(duì)某兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架進(jìn)行疲勞分析計(jì)算。

FEMFAT 疲勞分析過(guò)程

FEMFAT的ChannelMax模塊能對(duì)復(fù)雜載荷實(shí)現(xiàn)可靠和有效的分析，且能處理多通道載荷工況，軟件流程化的界面使得整個(gè)疲勞分析的過(guò)程非常明確。基于FEMFAT ChannelMax模塊及ProFEMFAT插件的疲勞分析主要包括以下幾個(gè)步驟：

（1）有限元cdb模型文件生成。FEMFAT可與目前主流的有限元前處理和求解器軟件結(jié)合進(jìn)行疲勞分析，本文的有限元計(jì)算軟件采用的是ANSYS，因此需要將有限元模型轉(zhuǎn)換成FEMFAT可識(shí)別的cdb模型文件。

（2）有限元單位載荷計(jì)算。在ANSYS軟件中進(jìn)行六個(gè)單位載荷分量（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz）的多載荷步有限元計(jì)算，得到包含單位載荷下六個(gè)應(yīng)力分量的有限元計(jì)算結(jié)果文件。

（3）讀入有限元模型文件。FEMFAT軟件中，讀入有限元cdb模型文件，識(shí)別模型中的組件，同時(shí)選擇需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的組件予以保留，其余組件刪除即可。根據(jù)組的類型（單元組、節(jié)點(diǎn)組），需要對(duì)組進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作，與相應(yīng)的（節(jié)點(diǎn)、單元）關(guān)聯(lián)。

（4）定義通道。在FEMFAT軟件中定義六個(gè)單位載荷分量的通道，將每個(gè)文件中相應(yīng)的載荷分量序列與有限元結(jié)果文件中相應(yīng)的載荷分量相匹配，選取單一疲勞載荷工況的時(shí)序譜作為載荷歷程文件。

（5）定義材料。根據(jù)GL標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)材料的疲勞特性要求定義，并賦予要計(jì)算疲勞的有限元組件。

（6）設(shè)置求解目標(biāo)參數(shù)，如求解損傷、安全系數(shù)等。

（7）單位載荷通道合并。

（8） 輸出模板文件設(shè)置。設(shè)置輸出模板文件名稱及路徑。

（9）單個(gè)疲勞工況計(jì)算，將單個(gè)疲勞工況的壽命寫入輸出模板文件中。

（10）逐個(gè)工況計(jì)算。啟動(dòng)ProFEMFAT插件，導(dǎo)入單個(gè)疲勞工況計(jì)算的模板文件，設(shè)置多工況的時(shí)序譜數(shù)據(jù)目錄，進(jìn)行逐個(gè)疲勞工況的計(jì)算，并生成對(duì)應(yīng)疲勞工況的結(jié)果文件。

（11）組合工況計(jì)算。在ProFEMFAT插件中輸入各疲勞工況的名稱及循環(huán)次數(shù)，進(jìn)行組合計(jì)算，生成組合工況的疲勞計(jì)算結(jié)果文件。

（12）疲勞計(jì)算結(jié)果查看和分析。 在FEMFAT后處理模塊Visualizer中導(dǎo)入組合工況疲勞計(jì)算結(jié)果文件，進(jìn)行查看和分析。

底架有限元模型

某型風(fēng)電機(jī)組底架系統(tǒng)的三維模型如圖1所示，其主要包括主軸、主軸承座、齒輪箱彈性支撐、底架、偏航軸承等。有限元建模時(shí)，在輪轂中心、軸承中心和齒輪箱中心處建立節(jié)點(diǎn)，用梁?jiǎn)卧B接起來(lái)模擬主軸。有限元模型如圖2所示，其中底架采用10節(jié)點(diǎn)四面體劃分單元。在底架的外表面賦以一層殼單元，厚度為0.01mm，把這組殼單元作為底架疲勞計(jì)算的組件，用以減少參與疲勞計(jì)算的單元數(shù)，加速計(jì)算。有限元模型采用GL規(guī)范中的輪轂中心坐標(biāo)系，并以輪轂中心作為加載點(diǎn)。

材料S-N曲線擬合

根據(jù)GL規(guī)范，原材料S-N曲線應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲得，在不能進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的情況下，可通過(guò)材料的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量、部件表面粗糙度等參數(shù)合成一條近似的S-N曲線。該機(jī)組底架所采用的材料為QT400-18AL，其楊氏模量為E＝1.73*105MPa，泊松比: υ＝0.3，抗拉強(qiáng)度：≥370MPa，屈服強(qiáng)度：≥240MPa，材料安全系數(shù)：γm＝1.1，部件安全系數(shù)：γn＝1.15，鑄造底架的表面粗糙度Rz＝200um，根據(jù)GL規(guī)范中《圖5.B.3鑄鋼和球墨鑄鐵合成材料S-N曲線計(jì)算》，由這些參數(shù)擬合后的S-N曲線為一條折線，基本參數(shù)為兩段折線的斜率和拐點(diǎn)參數(shù)，該材料的S-N曲線參數(shù)如表1所示，S-N曲線形狀如圖3所示。

疲勞計(jì)算結(jié)果

通過(guò)FEMFAT的ChannelMAX模塊對(duì)1.1aa_1疲勞工況進(jìn)行計(jì)算，以此工況的計(jì)算文件作為模板，啟動(dòng)ProFEMFAT插件進(jìn)行逐個(gè)疲勞工況計(jì)算，在全部的疲勞工況計(jì)算結(jié)束后進(jìn)行工況組合計(jì)算，生成疲勞計(jì)算的最終結(jié)果，計(jì)算界面如圖4所示。

圖1 某型風(fēng)電機(jī)組底架系統(tǒng)的三維模型

圖2 有限元計(jì)算模型

圖3 底架材料S-N曲線形狀

表1 底架QT400-18AL材料S-N曲線具體參數(shù)

攝影：李元

圖4 ProFEMFAT計(jì)算界面

圖5 底架單循環(huán)周期內(nèi)累計(jì)損傷云圖（局部）

采用上述方法對(duì)某型風(fēng)電機(jī)組底架進(jìn)行疲勞壽命分析，圖5為該底架在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的累計(jì)損傷云圖（局部），因本文以一年作為一個(gè)循環(huán)周期，由圖4可知，該底架一年內(nèi)的最大疲勞損傷為0.000201，20年的累計(jì)損傷因子為20*0.000201＝0.00402，滿足規(guī)范要求的20年壽命期內(nèi)累計(jì)損傷小于1的設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，從圖5中可以看出，該底架易發(fā)生疲勞破壞的部位是主軸承座安裝平臺(tái)的圓角過(guò)渡處，對(duì)于鑄造工藝底架，需要保證這些關(guān)鍵部位的鑄造質(zhì)量，盡量排除鑄造缺陷。

結(jié)論

本文基于 GL規(guī)范，利用FEMFAT軟件的ChannelMax模塊及ProFEMFAT插件作為計(jì)算平臺(tái)，利用載荷時(shí)間序列和損傷累積方法對(duì)某兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架進(jìn)行疲勞分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）該底架20年的累計(jì)損傷因子為0.00402，滿足規(guī)范要求的20年壽命期內(nèi)累計(jì)損傷小于1的設(shè)計(jì)要求。

（2）底架易發(fā)生疲勞破壞的部位是主軸承座安裝平臺(tái)的圓角過(guò)渡處，對(duì)于鑄造工藝底架，需要保證這些關(guān)鍵部位的鑄造質(zhì)量，盡量排除鑄造缺陷。

（3）利用FEMFAT對(duì)風(fēng)電機(jī)組部件進(jìn)行疲勞分析同樣適用于機(jī)組的其他部件，如主軸承座，輪轂等的疲勞分析。

（作者單位：華創(chuàng)風(fēng)能有限公司）

攝影：車傳江