风力发电机多少钱一台_兆瓦级风力发电机组齿轮箱支座的有限元分析

　　摘要:风电机组中的齿轮箱支座不但要支撑齿轮箱自身重量，还要抵消主轴传递过来的扭矩，其结构是否合理将直接影响到风电机组能否平稳运行。为验证齿轮箱支座结构的合理性，采用有限元软件HyperMesh对齿轮箱支座进行规则的六面体网格划分，并以有限元分析软件ANSYS作为分析平台对其进行强度分析，根据计算结果进行强度校核。分析结果表明：齿轮箱支座的最大应力值小于材料的许用应力，满足材料的强度要求，能够达到使用要求。有限元分析软件的使用，能够快速、直观地对较复杂的结构模型进行强度分析，提高了计算精度和分析效率。
　　关键词：风电机组；齿轮箱支座；有限元分析；六面体；Hyperworks；ANSYS；强度分析
　　中图分类号：TK83 文献标识码：A
　　引言
　　随着风电机组装机容量的日益增大，各零部件所受的极端载荷也越来越复杂，使得风机及其零部件的安全问题变得尤为突出。齿轮箱支座受力比较复杂,除承受自身重力外,还受风轮通过主轴作用在增速箱上的扭矩以及风轮的轴向推力，这些力都将通过支撑点传递到齿轮箱底部支座上，因此需对齿轮箱支座进行强度校核。采用传统的力学方法很难对其进行应力、应变分析,因此本文采用有限元分析软件来解决这个问题。
　　文中对辽河石油装备制造总公司3MW风电机组齿轮箱支座进行有限元分析,目的是校核其强度,校验支座结构是否满足设计要求。分析中考虑到支座自身结构的复杂性以及与底盘间的装配关系,网格划分采用HyperMesh将支座手动划分为规则的六面体网格。支座与底盘间设置接触单元，两部分通过螺栓进行连接，其中螺栓的连接方式采用MPC的方式进行处理,通过施加一段底盘假体模拟风电机组底盘对支座的约束，使得分析过程更加接近实际情况，分析模型如图1所示。
　　图1齿轮箱支座的有限元分析模型
　　1、MPC 多点约束
　　MPC即Multipoint Constraint多点约束方程，其目的就是将不连续或自由度不协调的单元连接起来，从而实现任意梁、板壳和实体单元之间的模型装配。用来描述两个或多个自由度之间的线性关系为：
　　 （1.1）
　　
　　式中： ―用户定义的比例系数；
　　―节点或标量点的任何自由度。
　　MPC算法适用于面面接触、点面接触的单元，分析中有限元软件会根据接触关系自动建立MPC方程。MPC算法克服了传统接触法以及其他多点约束方法的不足，例如:消除接触面节点的自由度；减小系统方程求解的波前值；不需要输入接触刚度等。对于小变形问题，其代表了真实的线性接触关系，求解系统方程时也不需要平衡迭代；对于大变形问题，MPC方程在每个平衡迭代步中不断的更新，克服了传统约束方程只适用于小应变的限制条件。
　　2、有限元模型的建立
　　有限元分析软件的建模功能不是很强大，但与其他CAD软件都有良好的接口，由于支座结构比较复杂，因此本文采用Pro/e软件对齿轮箱支座进行三维实体建模，然后导入HyperMesh中进行六面体网格划分，共划分45504个单元和59959个节点。实体建模时，在保证分析结果正确性的前提下，删除不关键结构特征以提高分析的运算速度。简化的原则是在保证计算精度的前提下，省略了非关键部位对支座整体刚度贡献较小的特征，如小的倒圆和倒角等特征，以提高网格精度和计算速度，简化后的支座模型如图2所示。
　　齿轮箱支座一般采用焊接结构，其材料通常选为Q345E，其为低合金高强度钢，综合力学性能良好，塑性和焊接性良好，具有较好的低温冲击性能，其属性见表1。
　　表1 齿轮箱支座材料属性
　　本文在有限元分析中定义材料属性时，采用了一个封闭的单位制：kg-mm-N-s
　　图2单个齿轮箱支座的有限元模型图
　　图3支座螺栓连接的有限元模型
　　3、约束与载荷
　　风机底盘与齿轮箱支座是通过螺栓进行连接，两者之间是不允许发生任何的滑移，因此在约束风机底盘假体时，对其进行全约束。齿轮箱支座处的极限载荷计算是依据IEC61400指定的载荷工况，利用风电机组大型设计软件BLADE计算得到，安全系数取1.35，在BLADE软件中，已将齿轮箱自身重量和主轴扭矩叠加在一起输出，因此最后得出支座处轴向扭矩的极限载荷值为。
　　支座与底盘之间的装配关系是通过螺栓连接实现的。目前螺栓的建模方式主要有两种：一种是按照实际螺栓的尺寸进行实体建模，并用3D单元进行网格划分。此种方法在螺纹孔连接处由于采用自由度耦合的缘故，其附近的应力、应变分布结果存在失真现象，另因螺纹处特征尺寸较小，从而造成单元过多，分析耗时；另一种是采用Beam188梁单元进行建模，此法可避免因自由度耦合造成应力和应变结果失真现象的产生，且单元数量大为减少。本此分析中的螺栓采用后者方法进行建模。
　　在底盘假体与支座螺栓中心孔处建立梁单元Beam188，用截面应力法仿真实体螺栓并采用MPC方法仿真螺纹的连接，并在梁单元上施加相应的螺栓预紧力，有限元模型如图3所示。螺纹联接通常都需要预紧，拧紧力矩T是用以克服旋合螺纹间的阻力矩和螺母与被联接件（或垫圈）支撑面间的摩擦力矩，使螺栓产生预紧力F0，他们之间的关系为：
　　（3.1）
　　式中 ：拧紧力矩系数，式中具体参数见文献5对于M10~M68粗牙普通螺纹的钢制螺栓，螺纹无润滑时摩擦系数，故；
　　 ―联接件的通孔直径（mm）。
　　拧紧后的螺纹联接件在预紧力作用下，产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限的80%。接用的碳素钢螺栓联接的预紧力：
　　（3.2）
　　式中：―螺栓材料的屈服极限；
　　 ―螺栓危险截面的面积， 。
　　将各参数带入到公式中，经计算得，≈4.77×106 N。
　　4、齿轮箱底部支座的强度校核
　　有限元位移法的静强度分析方程可归纳为： （4.1）
　　式中：K―结构刚度矩阵；
　　U―位移列向量；
　　F―外载荷列向量。
　　MPC单元即多点约束刚性梁有如下特性：（(4.2）
　　
　　 （4.3）
　　式中：―节点i处的平动矢量；
　　 ―节点i处的转动矢量；
　　 ―当前坐标系下的旋转角。
　　由式(4.2)可得到三个附加方程来处理实体单元与梁单元间不同自由度数之间耦合的问题。齿轮箱支座的有限元分析云图如图4、图5所示。