基于ANSYS软件的螺栓法兰连接结构应力和疲劳分析*

□ 徐 静 □ 薛欣玮 □ 卢 健

西安工程大学 机电工程学院 西安 710048

1 研究背景

随着全球大气污染越来越严重，清洁环保的风能发电成为人们竞相研究的热点［1-2］。风力发电机组一般都安装在风力资源较为充沛、自然环境较为恶劣的野外［3-4］，为了保证风力发电机在复杂的自然环境中能够可靠运行，对连接塔架各筒身的螺栓法兰连接结构进行应力分析及疲劳寿命评估是必不可少的工作［5］。

近20年来，国内外学者主要集中于对风力发电机连接塔架的标准碳钢法兰设计及垫片性能的研究［6-7］。螺栓法兰在制造过程中，材料内部会存在一些缺陷，如气孔、夹杂和裂纹等，这些缺陷会严重影响法兰的使用寿命，如果法兰和螺栓出现损伤，那么会影响整个风力发电机的性能［8］。因此，笔者对螺栓法兰连接结构进行材料选择，并利用ANSYS软件对其进行应力及疲劳寿命分析，为结构设计和优化分析等后续研究工作提供理论依据。

2 螺栓法兰连接结构及材料选择

风力发电机塔架上的螺栓法兰连接结构由上法兰、下法兰、垫片和螺栓组成，在这一结构中，螺栓与螺母紧固，用于连接上、下两个法兰，法兰上分布着内、外侧螺栓。

螺栓法兰连接结构的主要失效形式是泄漏，因此重点是保证其密封性［9］。

螺栓法兰连接结构的材料有很多，如碳钢、合金钢等，根据结构功能不同，选择的材料也不同。作为风力发电机塔架上的螺栓法兰连接结构，需要具有较高的静力强度、冲击韧性和疲劳极限［10-11］，因此笔者选择35CrMoA合金钢作为螺栓法兰连接结构的整体材料，其材料性能见表1［12］。

表1 35CrMoA合金钢材料性能

3 螺栓法兰连接结构有限元模型

3.1 实体建模

根据螺栓法兰连接结构的特点，在对实体进行模拟时进行了如下简化处理：忽略螺栓垫片、螺纹细节及各种几何倒角，将六角头螺栓螺母简化为圆形螺母，不考虑塔架和法兰连接区域焊缝及其残余应力的影响，并假设分析模型中所有的部件均无缺陷，质量分布均匀。

法兰盘上内、外侧均匀分布100个螺栓。上、下法兰尺寸相同，内半径为1 935 mm，外半径为2 415 mm。法兰盘上均布的孔直径为30 mm。螺栓长度为340 mm，直径为28 mm。螺母长度为20 mm，外径为60 mm。

应用ANSYS软件中的SOLID186体单元和MESH200面单元进行模拟，采用自下而上的建模方式，按照尺寸建立面后，由旋转方式生成螺栓法兰连接结构模型，如图1所示 。

▲图1 螺栓法兰连接结构模型

3.2 网格划分

ANSYS软件中网格绘制有很多方法，如Map映射、Sweep扫掠和智能网格划分等［13-17］。智能网格划分有六个等级可以选择，无论是何种几何图形，都可以通过智能网格直接绘制出来，但是绘制出来的网格是不规则或不均匀的，并且会有较大的计算量。因此，笔者采用Map映射及Sweep扫掠进行网格划分。所分析的螺栓法兰连接结构仅承受轴向载荷的作用，且法兰满足几何对称和载荷对称，总共包含1 246 176个节点和314 796个单元。螺栓法兰承受的预紧力为909 440 N，外部载荷为将65 000 N的力沿轴向方向分十次进行加载。在预紧承压工况下，带有内、外侧螺栓的某节法兰有限元模型如图2所示，内、外侧螺栓的模型如图3所示。

▲图2 法兰有限元模型

▲图3 内、外侧螺栓有限元模型

4 结果分析

4.1 应力分析

在轴向载荷作用下，某节35CrMoA合金钢螺栓法兰结构的应力云图如图4所示。可见，当施加载荷时，法兰应力沿轴向方向由下往上逐渐增大，上内侧和上外侧都出现了应力集中现象，内侧出现应力最大值，并且法兰发生了弯曲。

▲图4 螺栓法兰结构应力云图

由于法兰内侧出现的应力最大，因此对内侧螺栓进行应力分析，其应力云图如图5所示。可见，螺栓在承受轴向载荷时应力从螺栓杆中部向两边增大，与螺母下端连接处应力最大，出现应力集中现象。

▲图5 内侧螺栓应力云图

4.2 数据分析

将法兰上内侧、外侧的螺栓按顺时针方向从1至100编号，应用ANSYS软件计算出轴向载荷下内、外侧各100个螺栓的应力大小拟合曲线，如图6所示。可见，外侧100个螺栓的应力数值呈轴向对称，有应力最大值和最小值，螺栓受力不均匀。在实际工作中，应避免应力最大处的螺栓产生疲劳，发生危险。内侧100个螺栓的应力数值也呈轴向对称，有应力最大值和最小值，螺栓受力不均匀。外侧1号和100号螺栓所产生的应力值大于内侧1号和100号螺栓所产生的应力值，外侧50号螺栓所产生的应力值小于内侧50号螺栓所产生的应力值。

以1号螺栓为研究对象，图7所示为在十次外力加载下，螺栓应力的拟合曲线变化趋势：先呈线性变化，当载荷增大到一定程度后，应力突然增大，呈非线性变化。这是因为螺栓在经过一定次数和增大的外力加载后，其应力会随疲劳的积累而发生突然增大。

▲图6 外、内侧螺栓应力拟合曲线

▲图7 螺栓载荷与应力关系曲线

4.3 疲劳分析

疲劳破坏是结构件失效的主要原因之一，如不及时发现或准确预估结构件的疲劳寿命，可能会产生非常大的危害。根据疲劳曲线及Miner-Palmgren线性累积损伤准则［18-19］，考核笔者所分析的螺栓结构疲劳寿命是否符合使用条件。

在交变载荷作用下，疲劳损伤是可以线性累加的，各个应力之间相互独立、互不相干。当累加的损伤达到某一数值时，试件或结构件就会发生疲劳破坏。在风力发电机20年的设计寿命中，螺栓结构不发生疲劳破坏应满足的条件是［20］：

式中：D为各个螺栓的累计损伤度；ni为疲劳载荷谱第i级疲劳载荷的计算疲劳循环次数；Ni为第i级疲劳载荷的允许疲劳循环次数。

通过计算，得出各个螺栓的累计损伤度D远小于1.0，即由笔者所选材料35CrMoA合金钢制造的螺栓及法兰的疲劳寿命都符合使用要求。

5 结论

笔者以内、外侧含有100个螺栓孔的螺栓法兰连接结构为研究对象，使用ANSYS有限元分析软件，进行应力和疲劳分析，得出如下结论。

（1）选择35CrMoA合金钢作为风力发电机塔架转接段螺栓法兰连接的材料，具有较高的静力强度、冲击韧性和疲劳极限。

（2）通过ANSYS软件进行螺栓法兰连接结构的有限元分析，可以比较精确地掌握法兰与各螺栓的受力情况，以及产生的应力大小，为螺栓法兰连接结构的强度校核及优化设计提供可靠依据。由应力云图可以看出，螺栓在安装时一定要避免承受附加的弯曲载荷，在结构上保证载荷不偏心，在工艺上保证连接件、螺母和螺栓头部的支撑面平整，并与螺栓轴线垂直［21-22］。

笔者所分析的螺栓法兰连接结构符合使用要求，为今后螺栓法兰连接结构的选材提供了理论依据。