[發(fā)明專利]兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂有限元建模方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110352047.0
• 申請日: 2011-11-09
• 公開（公告）號: CN102508970A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王廣慶;李曼;魯志平;馮紅巖;王林;麻磊
• 申請（專利權(quán)）人: 保定天威風(fēng)電科技有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 唐山順誠專利事務(wù)所 13106
• 代理人: 于文順;宴春紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂有限元建模方法，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，在風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，對于風(fēng)電機(jī)組輪轂，主要采用的結(jié)構(gòu)形式是“球形”，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不能像葉片、主軸、塔筒等細(xì)長零部件一樣進(jìn)行等效分析，它的強(qiáng)度分析（極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度）工作主要是采用有限元方法進(jìn)行，如說明書附圖1所示。在模型中，主要包括了輪轂主體、變槳軸承、葉片假體、部分主軸幾個零部件，建立葉片假體和部分主軸的的依據(jù)是圣維南原理，使輪轂的連接部位的應(yīng)力也接近真實。在主軸末端（1位置）施加全位移約束，在葉片根部（2位置）施加載荷，載荷通過剛性區(qū)域傳遞到葉片假體頂部，從而對輪轂主體施加作用力。風(fēng)機(jī)在實際運(yùn)行中，輪轂要承受三個葉片載荷的同時作用，且在同一時刻，三個葉片的載荷是不一樣的。背景技術(shù)對于輪轂的極限強(qiáng)度分析，采用的方法是：當(dāng)某一個葉片的某一個分量載荷達(dá)到最大值時，連同其它葉片位置的其余載荷分量一同施加到模型中，計算完成后去檢查輪轂應(yīng)力情況，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)去檢查其是否滿足極限強(qiáng)度要求。但是，這樣做的缺點是：它假設(shè)當(dāng)某一個葉片的某一個載荷分量達(dá)到最大時，輪轂承受了最大的極限載荷。但是實際情況是：當(dāng)某一個葉片的某一個分量載荷達(dá)到最大值時，輪轂不一定承受最大的載荷。風(fēng)機(jī)運(yùn)行中經(jīng)歷的載荷工況很復(fù)雜，可能在某一個工況下，三個葉片載荷都很大，但是沒有一個葉片的某一個載荷分量達(dá)到最大值。對于疲勞分析，背景技術(shù)一般的做法是：在每一個葉片根部施加單位載荷，從而計算輪轂在單位載荷作用下的單位應(yīng)力，然后結(jié)合載荷的時間序列進(jìn)行分析，根據(jù)Miner線性累計損傷理論進(jìn)行疲勞分析。這樣做，需要在每一個葉片的根部施加六個載荷分量（Mx、My、Mz、Fz、Fy、Fz）進(jìn)行計算，對三個葉片風(fēng)機(jī)，就要對模型進(jìn)行18次的加載計算，一般來說，輪轂的有限元模型規(guī)模很大，計算每個載荷都需要花費(fèi)一定的時間，這樣做起來很費(fèi)時間，工作效率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂有限元建模方法，對所有極限載荷工況進(jìn)行計算，并且減少了有限元模型的計算次數(shù)。對于疲勞強(qiáng)度分析，只需要在一個葉片位置施加六個載荷分量，計算六次即可，極大的提高了工作效率，解決背景技術(shù)存在的上述問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂有限元建模方法，包含如下步驟：①根據(jù)球形輪轂的對稱性，取其1/3的模型進(jìn)行建模，形成1/3的有限元模型，然后旋轉(zhuǎn)形成整體的輪轂有限元模型；②對于原1/3模型上的每一單元，在120度和240度方向上都有單元和其對應(yīng)，即都能找到由這個單元拷貝形成的在120度和240度位置上的單元；③利用球形輪轂的旋轉(zhuǎn)對稱性來進(jìn)行計算和強(qiáng)度校核，旋轉(zhuǎn)對稱性是指：在其中一個葉片加載和在另一個葉片加載形成的輪轂應(yīng)力云圖，兩者旋轉(zhuǎn)120度或者240度，是能夠完全重合的。

對于輪轂極限強(qiáng)度分析，根據(jù)線性疊加原理，在原1/3模型對應(yīng)的葉片根部分別施加六個單位載荷分量（對于Mx、My、Mz取值為1NM，對于Fx、Fy、Fz取值為1N）進(jìn)行計算。以一個有限元單元為例，在某一個單位載荷下，可以提取此單元的應(yīng)力，同時，也可以得到120度方向和240度方向位置兩個單元的應(yīng)力（此兩個單元是由原單元拷貝生成），利用球形輪轂的旋轉(zhuǎn)對稱性，就可以得到在其他兩個葉片根部分別施加同樣單位載荷時在此單元的應(yīng)力貢獻(xiàn)。這樣，有了每一個葉片根部的單位載荷對此單元的應(yīng)力貢獻(xiàn)，就可以得到在三個葉片根部都存在載荷時，在此單元的應(yīng)力值（線性疊加原理）。據(jù)此，就可以計算每一個極限載荷工況下在此單元的應(yīng)力。

對于疲勞分析，同樣根據(jù)旋轉(zhuǎn)對稱性，就可以只計算在1/3模型上葉片根部的六個載荷分量下的應(yīng)力，其余葉片根部施加載荷時在同一個位置貢獻(xiàn)的應(yīng)力可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)對稱性得到。這樣，相當(dāng)于減小了2/3的計算工作量，極大的提高了工作效率。

本發(fā)明的積極效果：對于輪轂的極限強(qiáng)度分析，可以考慮到所有的極限載荷工況，而不僅僅是局限于某一個載荷分量達(dá)到最大時的情況，提高了計算的可靠性、全面性，同時，減小了計算量。對于疲勞強(qiáng)度分析，極大的減小了計算的工作量，提高了工作效率。

附圖說明

圖1是用于分析的整體有限元模型；

圖2是1/3的輪轂有限元模型；

圖3是經(jīng)過旋轉(zhuǎn)拷貝以后生成的整體輪轂有限元模型；

圖4是旋轉(zhuǎn)對稱選取單元應(yīng)力說明；

圖中：1.葉片1；2.葉片2；3.葉片3；4.有限元單元一；5.有限元單元二；6.有限元單元三。