Mw级风力发电机轮毂有限元分析

2010-04-11郑甲红

制造业自动化 2010年9期

关键词：轮毂发电机组风力

郑甲红，杜翠

ZHENG Jia-hong, DU Cui

（陕西科技大学机电工程学院，西安 710021）

Mw级风力发电机轮毂有限元分析

Finite element analysis of mw wind turbine hub

郑甲红，杜翠

ZHENG Jia-hong, DU Cui

（陕西科技大学机电工程学院，西安 710021）

轮毂是风力发电机组中的一个重要部件，载荷情况较复杂，因此对其进行有限元分析显得尤为重要。文章以2MW风力发电机的轮毂为研究对象，通过有限元分析确定了各个部位的应力分布情况和各阶振形，从中得出最危险的部位，为轮毂设计提供了有效的依据。

有限元；应力分布；振形

0 引言

轮毂是风力发电机组中的一个重要部件，承受多种复杂载荷。近年来，随着风力发电机组容量的增加轮毂的重要性愈来愈明显，例如：在大型风力发电机组中轮毂的重量占风力发电机组总重的30%左右。由此可见轮毂在风力发电机组设计与制造中的重要性。

1 轮毂材料及模型

文中轮毂模型是通过SOLID-WORKS软件导入到ANSYS中的。在导入过程中对其做了适当的简化，简化的原则是在保证计算精度的前提下对一些与轮毂静强度没有重要作用或者承受载荷情况并不关键的部位做简化，如轮毂上细小的孔、狭窄的槽、小的倒圆和倒角等细微的特征，以提高转换精度[1]。本文中轮毂模型采用SOLID-95单元划分，划分的单元数为107453，节点数为26648，精度等级为6级，材料为型号为QT400-18AL的球墨铸铁，属性如表1所示，实体模型如图1所示，有限元模型如图2所示。

表1 轮毂材料属性

2 轮毂约束及载荷

图1 轮毂实体模型

图2 轮毂有限元模型

文中将轮毂与主轴法兰最外层节点所有自由进行约束，在轮毂与叶片连接面的中心建立质点，将叶片重力及力矩施加到质点上，最后将质点与轮毂和叶片连接面建立刚性约束。所考虑各力及大小如表2所示，施加载荷和约束后的模型如图3所示。

表2 载荷表

3 轮毂极限强度分析

在上述载荷及约束条件下，轮毂的等效应力云图如图4所示。从图中可以看出轮毂与叶片连接区域和轮毂与主轴连接区域应力较大，但最大应力出现在轮毂与主轴连接螺栓处，在这种极限载荷下的最大等效应力σmax=234 MPa, 轮毂的抗拉强度为400MPa，σmax< 400 MPa. 因此，轮毂设计满足强度要求。

4 轮毂模态分析

图3 载荷及约束

图4 等效应力云图

有限元法除了可以做动力分析外，也可进行动力分析。本文着重阐述动力分析中的模态分析，即轮毂在外载荷下的固有振动特性—固有频率和固有频率振动时的变形形式—固有振形[2]。

动力学问题的有限元法也是要把物体离散为单元体。不过在考虑单元特性时，物体所受到的载荷还要考虑单元的惯性力-ρddv和阻尼力-υddv等因素，其中ρ是结构材料的密度；υ是线性阻尼系数。

整个结构的有限元动力学方程为：

式中：M为总体质量矩阵；C为总体阻尼矩阵；K为总体刚度矩阵；q为节点位移；f为结构所受外力。

当f为0时，利用利用有限元的方法解上述方程即可对系统进行模态分析。模态分析主要包括以下4个步骤：1）建立模型；2）加载并求解；3）扩展模态，4）观察结果[4]。而在ANSYS中模态求解方法有多种，本文采用Block Lancros法进行求解。该方法一般用于提取大模型的多阶模态（40阶以上），最适合于由壳或壳与实体组成的模型，速度快，但对内存要求较高。

对轮毂建模的方法与静力分析建模的方法一样，只是在分析中必须定义材料的弹性模量、密度及泊松比。由于模态分析只考虑位移为0的载荷，因此只用施加位移是0的载荷。表3列出了轮毂前十阶的固有频率，前四阶振形如图5所示。

表3 轮毂前十阶固有频率

图5 轮毂1-4阶振形

5 轮毂的稳定性分析

判断系统是否稳定，就是看系统的固有频率是否与外界激励的频率耦合而发生振动[5].对于山东长星风电科技有限公司2MW风机而言，叶片额定转速是18r/min ，发电机转速范围1040—2000r/min,轮毂最有可能发生共振的一阶频率对应的转速是3311.357r/min 。很明显，3311.357r/min >2000r/min，因此不会与它们发生共振。