兆瓦级风力发电机组轮毂强度数值分析

朱涛

摘要： 基于GL规范，采用有限元法对某兆瓦级风力发电机组轮毂进行极限强度分析.对轮毂SN曲线进行修正，分析疲劳计算需要考虑的载荷工况，使用GH Bladed软件仿真得到疲劳计算所需的载荷时间序列.使用ANSYS/nCode软件对轮毂进行疲劳寿命分析，结果表明轮毂的极限强度和疲劳强度均满足设计规范的要求.分析结果可以为兆瓦级风力发电机组轮毂的结构设计提供参考.

关键词： 风力发电机组； 轮毂； 极限强度； 疲劳； SN曲线； 有限元

中图分类号： TM315文献标志码： B

Abstract： According to the GL standards， the finite element method is used to analyze the extreme strength of the hub of a MW class wind turbine generator system. The SN curve of the hub is modified and the fatigue load cases are analyzed for fatigue calculation， and the load time series for fatigue calculation are simulated by GH Bladed software. The fatigue life of the hub is calculated by ANSYS/nCode software， and the results show that both the extreme strength and fatigue strength of the hub can meet the design requirements. The analysis results can provide reference for the design of the hub of MW class wind turbine generator system.

Key words： wind turbine generator system； hub； extreme strength； fatigue； SN curve； finite element

0引言

随着风力发电机组向大功率方向发展，兆瓦级风力发电机组已成为市场上的主力机型.[1]轮毂是风力发电机组中非常重要的部件之一，其圆周均布3个法兰与叶片连接，侧端面法兰与风力机机舱主轴相连.因为叶片承受的静、动载荷直接传递到轮毂上，进而传递到整个风力机上去，所以轮毂的受力情况非常复杂，其设计的好坏直接影响到风力发电机组的正常运行和使用寿命.

轮毂的主要失效形式有2種：（1）在极限载荷工况下高应力区域发生塑性变形或产生裂纹；（2）在随时间变化的动态随机载荷作用下发生疲劳失效.为保证风电机组正常工作，需要分别对轮毂的极限强度和疲劳强度进行校核计算.

近年来，很多科研工作者和工程技术人员对风电机组关键结构件的设计和分析进行研究.高俊云等[2]对风力机疲劳载荷的来源和疲劳计算方法进行分析，介绍ANSYS/FESafe软件的理论基础和分析过程并对某1.5 MW风力机主轴的疲劳寿命进行计算.杨兆忠等[3]对焊接结构的机架应用差值外推法得到焊址处单位载荷作用下的应力，并根据GL规范对机架进行疲劳损伤判断.现有的关于风电机组关键结构件疲劳强度的分析研究，大多采用等效常幅谱的简化疲劳分析方法，如何玉林等[4]分析永磁直驱风电机组主机架的疲劳强度及何玉林等[5]和邓良等[6]计算轮毂的疲劳强度.由于这种方法对实际载荷进行简化，没有考虑各载荷分量方向的变化，因此计算结果误差较大.本文基于GL规范[7]首先对某MW级风力发电机组轮毂进行极限强度分析，接着在对轮毂材料SN曲线进行修正的基础上，使用载荷时间序列及损伤累积方法，对轮毂进行疲劳寿命分析.

1轮毂的极限强度分析

某兆瓦级风力发电机组轮毂的三维实体模型见图1.轮毂采用铸件结构型式，材料为球墨铸铁ENGJS350，弹性模量E=1.69×1011 N/m2，泊松比μ=0.275，密度ρ=7 100 kg/m3，极限强度σb=350 MPa，屈服强度σs=200 MPa.

根据轮毂整体结构特性，建立有限元模型，见图2.网格采用8节点六面体单元划分，主轴（假体）端部约束，叶片根部中心点与变浆轴承（假体）端面MPC连接，在3个叶根中心点施加极限工况载荷.根据GL规范，风力发电机组关键结构件计算时所采用的载荷由设计时定义的运行工况确定.在确定极限强度分析所采用的工况时，需考虑5种设计状况（见表1），对应叶片坐标系下叶根极限载荷工况共48种.对48种极限载荷工况进行分析计算（考虑重力载荷），得到每种工况下轮毂的最大应力和最大变形，见表2.

设计状况载荷局部安全因数发电1.35发电与故障发生1.35正常关机1.35暂停（停止或空闲）1.10/1.35运输、架设和维修1.10/1.50

轮毂最大应力和最大应变形出现在1My Min工况，即1号叶根受到局部坐标y向代数值最小力矩工况.该工况下，轮毂的应力云图和变形云图见图3和4.最大von Mises等效应力σmax=88.31 MPa，最大变形1.406 mm.根据GB/T 18451.1—2012《风力发电机组设计要求》，关于极限强度分析的安全因数选取分为载荷局部安全因数、材料局部安全因数、失效后果局部安全因数.[8]载荷计算时已考虑载荷局部安全因数，材料局部安全因数取1.1，失效后局部安全因数按二类构件要求取1.0，即安全因数按1.1×1.0=1.10考虑，其许用应力为181.82 MPa.轮毂最大应力没有超过其许用应力，因此轮毂的极限强度满足要求，在风力机运行过程中，不会出现塑性变形或破坏.

2轮毂的疲劳强度分析

工程实践表明，疲劳失效是风力发电机轮毂的主要失效形式之一.根据GL规范，采用载荷时间序列和累积损伤方法对轮毂进行疲劳强度分析.此方法全面模拟设计寿命内的所有载荷工况，并且考虑各个载荷分量的方向变化及平均应力的影响，计算结果精确.

PalmgremMiner线性累积损伤理论是工程上估算变幅交变应力下机械结构疲劳强度广泛采用的理论.该理论假定各级交变应力引起的疲劳损伤可以分别计算，再线性叠加得到总损伤.当累积损伤达到1时，即达到限制状态，构件发生疲劳破坏，因此应保证在使用寿命周期内累积损伤小于1.[9]

使用ANSYS/nCode對轮毂进行疲劳寿命分析.该软件采用先进的单轴、多轴计算方法，计算时可以全面考虑平均应力、表面粗糙度及表面加工性质等对疲劳寿命的影响，按照累积损伤理论和雨流计数法进行疲劳寿命分析.

轮毂材料为球墨铸铁ENGJS350，根据GL规范，一般应采用试验和统计方法得到的原材料SN曲线作为基础，但在无法进行疲劳试验的情况下，可以根据材料的屈服强度、极限抗拉强度和弹性模量等参数拟合成一条近似的SN曲线.根据GL 2010《附录5.B：合成材料SN曲线计算》中的论述来得到材料的SN曲线.

综合考虑表面粗糙度（Rz=200 μm）、质量级别（Sd=0.85）、生存概率（SPu=2/3）以及安全因数等影响（根据GB/T 18451.1—2012《风力发电机组设计要求》，载荷局部安全因数取1.00，材料局部安全因数取1.10，失效后果局部安全因数按二类构件要求取1.15，即安全因数按1.1×1.15=1.265考虑），得到修正后的轮毂材料SN曲线见图5.曲线拐点对应的应力方程Δσ×A=104.41 MPa，对应的循环次数ND=106.348 4，曲线斜率m1=7.972 1，m2=2m1-1=14.944 2.

计算轮毂在单位载荷作用下的应力时采用的有限元模型与极限强度分析时相同，疲劳计算所用载荷时序为3个叶根载荷的载荷时序，由GH Bladed软件仿真得到.根据GL规范，疲劳计算需考虑以下载荷工况：（1）正常发电（DLC1.2）；（2）发电时故障发生（DLC2.4）；（3）机组启动和正常关机（DLC3.1和DLC4.1）；（4）空转（DLC6.4）.每个工况都含有18个分量（每个叶根6个分量）的载荷时间序列，将载荷时间序列调入软件中并定义1 a内对应的发生次数，就可以得到1 a的载荷时间序列.将疲劳载荷时序与单位载荷下有限元应力计算结果相关联，使用ANSYS/nCode软件的多轴疲劳计算功能，进行疲劳寿命计算，采用的多轴疲劳损伤计算方法为临界面法.[10]在某发电工况下，1号叶根局部坐标y向的力矩分量M1，y的载荷时间序列见图6.采用上述方法，对轮毂进行疲劳计算，得到轮毂在所有工况下总的疲劳损伤结果见图7.轮毂在疲劳载荷作用下，1 a时间内的最大损伤值为0.024 37，位于叶根与主轴中间区域.根据规范，风力发电机组关键零部件的使用寿命为20 a，轮毂20 a的损伤值D20=20×0.024 37=0.487 4<1.轮毂20 a的损伤小于1，说明在疲劳载荷作用下，轮毂不会发生疲劳破坏，可以满足疲劳寿命的设计要求.

3结论

基于GL规范，采用有限元法对某兆瓦级风力发电机组轮毂的极限强度和疲劳强度进行分析研究，得到以下结论.（1）对轮毂进行极限强度分析，得到其在极限载荷工况下的变形和应力云图.结果表明：轮毂的极限强度满足要求，在风力机运行过程中不会出现塑性变形或破坏.（2）对轮毂进行疲劳寿命分析，合成材料SN曲线时，需要综合考虑表面粗糙度、质量级别、生存概率以及安全因数等影响，对SN曲线进行修正，从而得到保守的计算结果.（3）疲劳强度分析的结果表明，轮毂20 a的损伤小于1，在疲劳载荷作用下，轮毂不会发生疲劳破坏，可以满足疲劳寿命的设计要求.

本文分析可验证轮毂设计的合理性，为轮毂的结构设计和优化提供参考和数据支持.参考文献：

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