MW 级风力发电机组轮毂主轴连接螺栓疲劳寿命分析

徐忠文 张晓琳 范平平 王燕

（沈阳华创风能有限公司，山东青岛 266000）

MW 级风力发电机组轮毂主轴连接螺栓疲劳寿命分析

徐忠文 张晓琳 范平平 王燕

（沈阳华创风能有限公司，山东青岛 266000）

建立轮毂主轴连接螺栓有限元模型并进行计算，根据计算结果绘制载荷-应力关系曲线与时间-载荷历程通道合并完成应力谱转化；基于GL规范计算连接螺栓S-N曲线的相关参数，利用FE-safe软件雨流计算方法、Miner疲劳损伤累计理论、Goodman平均应力修正法，完成轮毂主轴连接螺栓疲劳损伤计算，轮毂主轴连接螺栓疲劳损伤值表明风电机组20设计寿命内不会出现疲劳破坏，满足设计要求。

连接螺栓 应力谱 疲劳损伤

1 前言

轮毂主轴连接螺栓在承受轮毂与叶片重量的同时还承受叶轮吸收风能产生的气动载荷、惯性载荷与冲击载荷，受载状况复杂，因此轮毂主轴连接螺栓的可靠性要求较高。GL规范要求结构或部件的完整性应通过极限状态的研究来验证，极限状态可分，最终极限状态、耐久性极限状态。轮毂主轴连接螺栓交变载荷作用下疲劳寿命属最终极限验证，本文主要分析轮毂主轴连接螺栓在风电机组20年设计寿命内经受交变载荷后，损伤寿命是否达到设计要求。

2 风电机组轮毂主轴连接螺栓有限元模型

2.1 网格划分

轮毂通过64根10.9级M42螺栓与主轴连接，实现了轮毂与主轴的可靠性连接。模型中螺帽与主轴假体采用SOLID185六面体单元进行网格划分；螺栓采用应力面积1120mm2的BEAM188梁单元进行网格划分；轮毂采用高阶四面体SOLID187单元进行网格划分。

2.2 边界条件

为避免局部应力失真，分析过程中约束主轴假体后端节点三个方向的自由度；在轮毂中心建立节点并通过MPC多点约束梁单元与轮毂三个凸台表面节点连接；轮毂与主轴之间定义标准接触关系，摩察系数取0.2；连接螺栓组施加特定预紧力后于轮毂中心节点施加疲劳极限载荷。

3 连接螺栓疲劳分析

3.1 螺栓疲劳极限载荷

计算过程中根据GL规范选取轮毂中心固定坐标系，Bladed提供的载荷持续谱是不同工况空间坐标系三个分量的弯矩与力，所以在轮毂中心点施加疲劳极限载荷，运用ANSYS计算同一螺栓的应力值，并根据载荷应力关系绘制螺栓载荷应力曲线，如图1所示。

3.2 螺栓疲劳载荷谱

Bladed提供的载荷持续谱是时间-载荷历程，为进行疲劳寿命分析应将持续谱转化为载荷谱。利用螺栓载荷应力曲线进行时间-载荷历程通道合并，实现时间-载荷历程到时间-应力历程的转化，转化流程图如图2所示。

3.3 螺栓S-N曲线

根据GL［1］规范建立能够反映应力幅值与疲劳寿命关系，适合计算螺栓疲劳寿命的S-N曲线。GL规定轧制后热处理螺栓分类等级为71，公称直径d＞30应按照K= （30d）0.25进行螺栓等级修正；S-N曲线可分为两段区域：

螺栓安全系数1.15，由此计算螺栓S-N曲线相关参数。

3.4 疲劳损伤准则

螺栓疲劳寿命选择Miner准则进行线性累计损伤即：循环载荷作用下，各个应力之间相互独立，各应力产生的疲劳损伤可线性累加，损伤累计数值达到特定值后，部件发生疲劳破坏。

3.5 疲劳损伤结果

由于螺栓平均应力不等于零，选择相对保守的Goodman平均应力修正方法进行分析；将通道合并转化后的螺栓疲劳载荷谱导入FE-safe软件中，利用该软件的雨流计数法与Miner损伤累计准则进行螺栓的疲劳寿命计算。经计算风电机组20年设计寿命中螺栓的总损伤： D20= 0.2353≺1，所以轮毂主轴连接螺栓的疲劳寿命满足设计要求。

4 结语

本文基于轮毂主轴连接螺栓的ANSYS分析结果与Bladed提供的时间-载荷历程，利用通道合并完成了可用于螺栓疲劳分析应力谱的转化；又根据GL规范计算了螺栓S-N曲线的相关参数；最终利用FE-safe软件的Goodman平均应力修正法与Miner疲劳损伤累计理论完成轮毂主轴连接螺栓20年设计寿命总损伤值，所以此种方法是可靠的。这为今后风电机组连接螺栓的设计、校核提供了方法。

［1］Germanischer Lloyd Wind Energize GmbH. Guideline for the certification of wind turbine［S］.Germany，2010.