850 kW风力发电机轮毂有限元分析

郑甲红, 李 敏

(陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引 言

现代风力发电机组是集空气动力学、机械工程、计算机控制技术等多学科技术于一身的高科技技术产品，设计如此复杂的系统需要完善的分析技术来支持.风电机组运行在随机变化的自然环境中，受力情况非常复杂.由于风电组的大型化，结构的变形也更加显著，因此风电机组主要部件的静力学问题和动力学问题更加突出.轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件，承担抵抗风载、传递转矩的作用，体积较大，安装不便，为了提高轮毂的安全性和可靠性，必须保证轮毂在承受静载荷和高应力的情况下具有可靠的强度、刚度、抗疲劳破坏的能力和足够的疲劳寿命，因此对轮毂进行精确地强度分析尤为重要.

本文应用ANSYS有限元分析软件对风力发电机的轮毂进行了强度分析，详细探讨了疲劳仿真分析的技术和过程.从仿真分析计算的等效应力云图以及整体变形图中，可以直观地判断出该轮毂的危险区域，为轮毂设计提供有效依据，解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题.

1 轮毂三维建模

根据轮毂的外形特征，在Solidworks环境中创建轮毂模型.首先创建轮毂与叶片的接触面，使用拉伸工具，然后是整个球外形的创建，采用旋转命令，旋转轴的创建要正确.轮毂与主轴法兰的连接孔也通过相同的旋转切除工具创建，最后的螺栓孔、倒角等细节可通过阵列和其他实体造型工具完成.轮毂最终的三维模型如图1所示.

图1 轮毂模型

2 轮毂有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文的轮毂模型是通过SOLID-WORKS软件导入到ANSYS中的.对轮毂模型采用SOLID-95单元划分，定义材料属性及导入模型后对实体模型进行网格划分，以生成有限元模型，这里充分利用ANSYS提供的功能强大的智能网格划分器对实体模型进行划分.由于网格划分对计算结果有一定的影响，过于密集的网格计算对计算机性能要求高，且耗时过多，这里采用的精度等级为10级，可以更快地获得计算结果.轮毂有限元网格划分结果如图2所示.

由于轮毂是一个连接件，其强度分析与其连接的零件有很大关系.在对轮毂进行有限元建模时，把轴承和主轴考虑进来，负责加载载荷和约束条件，与轮毂通过螺栓联接.轮毂与主轴相连，为了反映真实的受力状态，并且简化模型，直接将其假设为固定接触，即在全局坐标系下约束轮毂和主轴联接端面节点的x、y、z方向平动自由度.约束施加完成后如图3所示.

图2 轮毂有限元模型 图3 自由度约束

2.2 轮毂的载荷

轮毂的载荷如表1所示.

关于轮毂的载荷加载，可以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，最后在质点与轮毂和叶片连接面建立刚性约束.

接下来是对质点模型进行网格划分，以生成有限元模型.在点对象属性分配对话框中，将编号为1的单元和材料号为1的单元付给实体模型，设置智能网格划分水平后就可对其进行网格划分.网格划分完成后，对该质点加载，定义分析类型→载荷施加,最后在质点与轮毂和叶片连接面建立刚性约束.

表1 轮毂载荷表

2.3 计算结果

在上述载荷及约束条件下，轮毂的等效应力云图见图4，总变形图见图5.

图4 等效应力云图 图5 总变形图

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=53.64 MPa, 轮毂的抗拉强度为400 MPa，σmax< 400 MPa， 因此轮毂设计满足强度要求.

3 结束语

用ANSYS有限元分析软件，在合理简化模型、正确加载与约束下，可以快速和深入地对复杂结构进行分析，提高了计算精度和效率，计算结果形象直观.根据分析结果可以进行结构调整，并且对结构优化设计起到极其重要的作用.

本文采用ANSYS有限元分析软件，对风力机的轮毂进行了强度分析.通过分析计算，从图4可以看出，轮毂的最大应力点出现在轮毂与主轴连接螺栓处，其主要原因是由于作用在该螺栓连接处的重量较大引起的.建议在此处可适当地加厚加强肋板，以提高底座的安全系数.

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