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ANSYS作為一種強大的有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于機械、電子、航空航天、汽車、船舶等各個領(lǐng)域，是現(xiàn)代設(shè)計中必不可少的工具。BLADE是Garrad Hassanand Partners Limited公司研制的一款風(fēng)力機大型設(shè)計軟件，這套軟件可以對風(fēng)力機設(shè)計中的各個部分，包括葉片翼型選擇與設(shè)計計算、傳動鏈的配置形式、控制方式的選擇、載荷的計算、疲勞分析等進(jìn)行有效的計算與驗證，是目前不可多得的功能較豐富的風(fēng)力機設(shè)計軟件。本文基于ANSYS強大的分析功能，通過BLADE軟件在計算機上建立風(fēng)力機的數(shù)字化實時仿真器，模擬出風(fēng)力機在各種不同的運行情況下葉片及輪轂的動態(tài)性能，進(jìn)而篩選出載荷計算報告中的極限值作為應(yīng)力初始值，對研制的1MW級風(fēng)力發(fā)電機的輪轂進(jìn)行有限元分析，獲得了比較好的效果，同時縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計費用。
本文以1MW機型SUT-1000的輪轂部分為研究對象，分析輪轂的強度及輪轂與葉片間連接螺栓的強度校核，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)電機的葉輪由三片葉片對稱安裝在輪轂上構(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)動同步盤實現(xiàn)變槳距功能。葉片產(chǎn)生的氣動載荷以及由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)和機艙對風(fēng)轉(zhuǎn)動引起的離心力、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，在輪轂法蘭盤處很容易引起應(yīng)力集中。因此輪轂設(shè)計的好壞將直接影響到整個風(fēng)力發(fā)電機的正常運行和使用壽命，有必要對輪轂進(jìn)行受力分析以確定輪轂各個部位應(yīng)力分布，為輪轂的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。
風(fēng)力發(fā)電機的極限載荷計算是依據(jù)IEC61400-1指定的載荷工況，利用風(fēng)力機大型設(shè)計軟件BLADE計算得到，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格式的實體轉(zhuǎn)入ANSYS中，再進(jìn)行分網(wǎng).輪轂?zāi)Ｐ筒捎?0節(jié)點實體單元，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附加方程，故可以處理實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個單元，97960個節(jié)點。
依據(jù)BLADE軟件計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，并施加UX、Uy、UZ三個方向，以模擬輪轂真實約束情況，葉片載荷在三片葉片與輪轂連接面中點，按葉片局部坐標(biāo)系分別施加，有限元計算效果圖見圖，從有限元計算結(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處，最大單點等效應(yīng)力為151MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強度，故該輪轂設(shè)計滿足強度要求。從有限元計算結(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)點處，為230742.9N，本文選取238686節(jié)點處的螺栓為研究對象，選取危險載荷狀態(tài)進(jìn)行強度校核，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至水平位置時，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軟件對輪轂進(jìn)行受力分析不僅可以縮短設(shè)計周期，而且能較真實地反映輪轂的受力情況，為后續(xù)的輪轂設(shè)計和改進(jìn)提供了重要依據(jù)。
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