宋世平，吳會(huì)成，劉大維

(1.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071；2.山東力豐重型機(jī)床有限公司，山東 濱州 251700)

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂加工V型架強(qiáng)度分析和改進(jìn)

宋世平1，吳會(huì)成2，劉大維1

(1.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071；2.山東力豐重型機(jī)床有限公司，山東 濱州 251700)

利用HyperWorks有限元分析軟件建立某風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂加工V型架有限元分析模型，并對(duì)V型架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)該V型架傾斜工字梁與底層工字梁連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，并通過(guò)增加加強(qiáng)筋和工藝孔的方法進(jìn)行了改進(jìn).經(jīng)強(qiáng)度校核和驗(yàn)證，輪轂V型架的最大應(yīng)力由改進(jìn)前的261.2MPa變?yōu)楦倪M(jìn)后的209.0MPa，比改進(jìn)前減小了20%，改進(jìn)后的V型架能夠滿足使用條件.

V型架；強(qiáng)度分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；HyperWorks

近年隨著對(duì)節(jié)能和環(huán)保的重視，我國(guó)大力發(fā)展新生能源，風(fēng)力發(fā)電是國(guó)家重點(diǎn)支持的產(chǎn)業(yè).輪轂是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，而風(fēng)機(jī)葉片、變漿軸承、主軸等就是安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂上.風(fēng)機(jī)葉片連接在輪轂的葉槳面上，葉槳面的加工精度直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用性能和壽命.輪轂葉槳面進(jìn)行加工時(shí)會(huì)將輪轂放在加工V型架上，輪轂加工V型架的使用性能將影響輪轂葉槳面的加工精度，因此輪轂加工V型架的強(qiáng)度必須要滿足使用要求.由于傳統(tǒng)的計(jì)算方法不能得出受力、變形等全面而精確的結(jié)果，難于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]，因此，有限元分析不僅是現(xiàn)代強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的核心，也成為CAD/CAM/CAE等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中不可分割的一部分[2-8].本文以某公司用于加工輪轂葉槳面的V型架為例，運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對(duì)其現(xiàn)有的V型架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和強(qiáng)度校核，為V型架下一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù).

1 輪轂加工V型架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

1.1 輪轂加工V型架結(jié)構(gòu)特性

圖1為某公司用于加工風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂的V型架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖2為V型架實(shí)物圖.V型架主要由2個(gè)底層工字鋼(長(zhǎng)度2 600mm，寬度200mm)、4個(gè)傾斜工字鋼(邊長(zhǎng)分別為1 900mm和2 000mm，寬度200mm)、4個(gè)三角形支撐板(700mm×1 550mm×1 800mm)、20個(gè)加強(qiáng)筋等通過(guò)焊接形式組成；V型架的高度為1 900mm，寬度為1 300mm.傾斜工字鋼上安裝的木板是為了防止輪轂在V型架上由于磕碰而造成其加工面的損壞.

1.2 輪轂加工V型架有限元模型的建立

輪轂加工V型架有限元計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分是利用HyperWorks軟件進(jìn)行的，對(duì)V型架進(jìn)行必要的幾何清理，抽取中面后，采用邊長(zhǎng)為10mm的四邊形和三角形板殼單元(shell)進(jìn)行劃分；構(gòu)件之間的焊接關(guān)系采用剛性單元(RBE2)進(jìn)行模擬.整個(gè)輪轂加工V型架的有限元模型由141 164個(gè)網(wǎng)格單元、140 241個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，如圖3所示.輪轂加工V型架的材料為Q235A，彈性模量E=0.2TPa，密度7.9×103kg/m3，泊松比0.28，屈服應(yīng)力σs=235MPa，最小抗拉強(qiáng)度375MPa，最大抗拉強(qiáng)度500MPa.

1.3 邊界條件和載荷處理

輪轂加工V型架底層工字梁下翼面與地面接觸，因此約束限制底層工字梁下翼面X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度和繞X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.

由于輪轂質(zhì)量為9t，在加工過(guò)程中，鉆床在輪轂上加工螺紋孔時(shí)對(duì)V型架施加的壓力遠(yuǎn)小于輪轂自身重力，因此輪轂加工V型架主要承受輪轂自身的重力，在有限元分析過(guò)程中，忽略鉆床施加的壓力.V型架之間的角度為60°，通過(guò)測(cè)量輪轂與V型架的作用面積S=6.8×10-3m2，經(jīng)力學(xué)合力分解計(jì)算后輪轂與V型架接觸處的壓強(qiáng)為7.5MPa.

2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

輪轂加工V型架整體應(yīng)力云圖如圖4所示.V型架最大應(yīng)力發(fā)生在傾斜工字鋼與底層工字鋼焊接連接處，其數(shù)值為261.2MPa，大于材料Q235A的屈服應(yīng)力235MPa，此處將發(fā)生塑性變形或者斷裂.圖5為底層工字梁與支撐板兩側(cè)連接處應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力發(fā)生在兩側(cè)連接處，其值為228.7MPa，略小于材料的屈服極限.

3 輪轂加工V型架結(jié)構(gòu)改進(jìn)與校核

由靜力學(xué)分析得知，V型架傾斜工字鋼與底層工字鋼連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力超出材料的屈服極限.因此，需要對(duì)V型架出現(xiàn)的危險(xiǎn)部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)整個(gè)V型架進(jìn)行強(qiáng)度校核.3.1V型架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1)增加加強(qiáng)筋.在支撐梁與底層工字鋼兩側(cè)連接處內(nèi)外增加一對(duì)加強(qiáng)筋；在傾斜工字鋼與底層工字鋼連接對(duì)應(yīng)處的底層工字鋼內(nèi)外增加加強(qiáng)筋，減小應(yīng)力集中，如圖6所示.

2)工藝孔.在支撐梁與底層工字鋼兩側(cè)連接處的支撐梁上加工半徑為50mm的工藝孔，目的是為了減少應(yīng)力集中，如圖6所示.

3.2 新V型架的強(qiáng)度驗(yàn)算

圖7為改進(jìn)后的輪轂加工V型架整體應(yīng)力云圖.V型架最大應(yīng)力發(fā)生在底層工字梁與支撐板兩側(cè)連接處，其應(yīng)力值為209.0MPa，小于Q235A的屈服極限235MPa；圖8為傾斜工字鋼與底層工字鋼焊接連接處的應(yīng)力云圖，其應(yīng)力值為115.6MPa，遠(yuǎn)小于改進(jìn)前的應(yīng)力值261.2MPa.

3.3 改進(jìn)效果評(píng)價(jià)

綜合以上仿真分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)改進(jìn)后的V型架的有限元分析進(jìn)行總結(jié)并與原V型架對(duì)比，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果，改進(jìn)前后V型架對(duì)比如表1所示.

表1 改進(jìn)前后V型架性能的對(duì)比分析

由表1可以看出，V型架改進(jìn)前在靜態(tài)滿載工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在傾斜工字鋼與底層工字鋼連接處，其數(shù)值為261.2MPa，改進(jìn)后最大應(yīng)力出現(xiàn)在底層工字梁與支撐板連接處，其數(shù)值為209.0MPa，比改進(jìn)前減小了20%，且在Q235A的作用應(yīng)力范圍內(nèi)；改進(jìn)后的質(zhì)量比改進(jìn)前增加了0.47%，變化量較小.綜合上述分析，本文提出的改進(jìn)方案，使V型架性能有所改善，能夠滿足實(shí)用工況.

4 結(jié)論

通過(guò)建立輪轂V型架有限元仿真模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得知現(xiàn)有輪轂V型架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，并對(duì)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)和模型驗(yàn)證，其主要結(jié)論如下：

1)對(duì)輪轂V型架進(jìn)行靜力學(xué)分析得到V型架應(yīng)力分布云圖，得知現(xiàn)有輪轂V型架中傾斜工字梁與底層工字梁連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理.

2)對(duì)輪轂V型架中存在的傾斜工字梁與底層工字梁連接處、底層工字梁與支撐板連接處危險(xiǎn)部位提出改進(jìn)意見(jiàn)并實(shí)施改進(jìn)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的V型架能夠滿足使用工況；通過(guò)與原輪轂V型架的性能對(duì)比，輪轂V型架改進(jìn)效果較好.

[1]白溫毓. 多工況下風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性及其動(dòng)態(tài)可靠性研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013：31-50.

[2]龔宇琴，苗鳳麟，施洪生. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙底座模態(tài)及動(dòng)態(tài)載荷分析[J].可再生能源，2014，32(1)：49-53.

[3]方駿元.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱強(qiáng)度可靠性優(yōu)化研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2013：20- 41.

[4]秦大同，周志剛，楊軍，等.隨機(jī)風(fēng)載作用下風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(3)：1-8.

[5]韓慧. 基于有限元的2.5MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模態(tài)分析及剛強(qiáng)度研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2014：12-38.

[6]黃小華，趙世林，周傳捷，等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙底座強(qiáng)度與模態(tài)分析[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,31(2)：154-158.

[7]沃曉臨，馬春翔. 兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要承載螺栓強(qiáng)度的有限元計(jì)算[J].電力與能源，2011,32(6)：228-231.

[8]田振亞，鄒荔兵，朱光偉. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙底座的有限元結(jié)構(gòu)分析[J].中國(guó)重型裝備，2010(2)：10-12.

(責(zé)任編輯 雨 松)

Strength Analysis and Improvement of a Wind Turbine Hub V-rack

SONG Shiping1，WU Huicheng2,LIU Dawei1

(1.CollegeofMechanical&ElectronicEngineering，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China；2.ShandongLifengHeavy-dutyMachineTool，Binzhou251700，China)

AfiniteelementanalysismodelofV-rackforwindturbinehubwasestablishedusingHyperWorks,andthestaticstrengthcalculated.ItwasfoundthatthestructuraldesignoftheconnectionbetweenthetiltbeamandbottombeamoftheV-rackwasweaklydesignedandwasimprovedbyaddingtheribandtheprocesshole.StrengthcheckandverificationhasprovedthatthemaximumstressofV-rackframeisreduced20%from261.2MPato209.0MPa.TheimprovedV-rackframecouldmeettherequirementofapplication.

V-rack；strengthanalysis；structureimprovement；HyperWorks

2016-08-16

2016-09-26

宋世平(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槠?chē)動(dòng)態(tài)仿真與設(shè)計(jì).通訊作者：劉大維(1957-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槠?chē)動(dòng)態(tài)仿真與設(shè)計(jì).E-mail:qdldw@163.com

TH

A

1673-4432(2016)05-0041-05