风力发电机齿轮箱体有限元分析

秽Ｌ（２Ｓ４—１）Ｓ４＋４（移肘ＳｌＳ２＋ｖｓＳ２Ｓ３＋秽ｏＳｌＳ３＋
影ｐｓｌＩｓ４＋ｖｃＳｚ＆＋移≯３Ｓ４）
（２）
埘＝＂１（２Ｓ１—１）Ｓｌ＋埘Ｊ（２８２—１）Ｓ２＋ｗｌｃ（２Ｓ３—１）Ｓ３＋ ｗＬ（２Ｓ４—１）｜ｓ４＋４（ｗｕＳｌＳ２＋ｗＮＳ２Ｓ３＋ｗｏＳｌＳ３＋
ｗｓ，｜ｓ４＋ｗｃＳ２Ｓ４＋ｗＲＳ３Ｓ４）
其进行局部细化，这样有助图３划分网格后的有限元
于精度的提高，而不会增加
模型
求解难度。因此，网格划分采用自由网格划分后再局
部细化处理，自由划分精度采用６级。对箱体上的６
个轴承孔进行局部细化，精度采用１级。最后划分的
有限元模型如图３所示，划分的单元数为３６０ １５９，节
点数为５７３ ３７０。
２实体单元的应力与应变分析
关键词风力发电机齿轮箱 有限元分析ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ ＡＮＳＹＳ
பைடு நூலகம்
０引言
随着可持续发展和环保意识的不断加强，各种清 洁能源近年来发展迅猛，其中，风力发电就是各国研究 和应用的重点领域。目前，国内企业已经基本掌握兆 瓦级以下的风电机组制造技术，主要零部件实现国产 化，１ＭＷ～２ＭＷ容量的机组已经研制出多种样机。由 于目前国内普遍采用小型机组，效率低，而高效率的大 型机组依靠进口，成本较高，进而造成我国风电机组市 场竞争力低，阻碍了我国风电产业的发展，因此，发展 具有知识产权的大型机组就显得尤为关键。在对大型 风电机组的研发中，齿轮箱是关键部件之一。据统计， 近年来国内外风力发电机故障最高的部件为齿轮箱， 我国风电齿轮箱损坏率高达４０％一５０％，因此，要发 展大型风电机组，齿轮箱等关键技术就必须要解 决［卜２｜。目前，国内２．５ＭＷ风电机组的研制刚刚开 始，从设计参数来看，齿轮箱体直径超过２ｍ，重量超过 ７吨，因此，为了保证其设计的可靠性和经济性，对其 进行有限元分析是十分必要的。我们以ＡＮＳＹＳ为分 析平台，对２．５ＭＷ风电齿轮箱体进行有限元分析，在 分析结果的基础上，提出相应的解决方案。
ｐ １—２Ｐ １．２卢
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对于三轴载荷作用下的固体材料，应变能Ａ
为［４坳
Ａ（ｅ）－ｏ．５』ｙ（咏ｋ＋咿∥＋啦；＋叫夥＋僦
＋％如）ｄｙ
（１７）
以矩阵形式表示为
Ａ（。）＝０．５Ｉ ａｒＴｅｄＶ
（ｉｓ）
ＪＶ
根据胡克定律，将应力用应变表示，则式（１７）可
法、雅克比共轭梯度法（ＪＣＧ）、不完全分解共轭梯度法 （ＩＣＣＧ）、预条件共轭梯度法（ＰＣＧ）、自动迭代法（ＩＴＥＲ） 以及分块解法（ＤＤＳ）［５Ｊ。各种求解器选择的主要选择 依据有：分析类型、分析速度、模型自由度以及计算机 硬件情况等。本分析采用ＰＣＧ法，此解法支持大自由 度（５万一１００万），适合实体单元的大型模型，且求解 速度快。 ３．３结果分析
（２）最大应力基本出现在支撑下端面的一侧，有 一定的应力集中，应避免加工缺陷。减小应力集中的 措施有：注意齿轮箱重心的布置，使其尽量靠近支撑面 的垂直中心；加大倒角半径；增加卸载结构等。经过分 析，最大应力均在许用应力的范围之内。
万方数据
第３３卷第４期
回转机械传动系统转动惯量测量方法的研究
７５
文章编号：１００４—２５３９｛２００９）０４一００７５—０２
图５载荷加载示意图
（２）施加载荷 在实际装配中，整个齿轮箱基本 是依靠箱体上的两个支撑来承受重力的，而整个齿轮箱 的重量最终可达２７吨之多，所以在静力分析中必须要 考虑齿轮箱装配完成之后的总重量。经过计算，实际箱 体的体积为１．０３４ ７０，按照密度７ ３００ｋｓ／ｎ＇？计算，重量 为７．５５３ ３吨，要将重力调整到２７吨，就必须对设置的 密度数值进行换算，换算后的密度应为２６ ０９４ｋｓ／ｍ３。在 ＡＮＳＹＳ中直接设置重力项时，由于重力在ＡＮＳＹＳ中是 惯性力，所以必须注意重力的设置方向应与实际重力方 向相反，本文中重力方向为正ｙ方向。
（３）
万方数据
第３３卷第４期
风力发电机齿轮箱体有限元分析
Ｓｌ—ｓ４为单元形函数，具体可查看相关资料。
ｒ▲
叠户Ｘ ｌ
图２ １０节点四面体单元
计算结果的精确度，很
大程度上要取决于网格的划
分。由于箱体模型是一个大
型复杂体，几何形状并不规
则，采用自由网格划分。考
虑到箱体的受力，特别是轴
承孔的受力情况，有必要对
由于箱体内的行星轮都是在圆周上成１２０：＇均布的， 所以形成的径向力也在圆周上成１２ｆｆ均布，且每组里３ 个轴承孔受力大小一致。在额定载荷下，各个轴承孔的 受力如表ｌ所示，这里简化加载方式，将轴承孔的１／４ 定为均匀受力面，最后的载荷施加大小如表１所示。
表１额定载荷下轴承孔载荷计算表
轴承孔受力大小
／Ｎ
适合精度要求高的模型。对于固体力学问题，本单元
的位移函数［４］５０１可写为
ｕ＝Ｕｌ（２Ｓ１一１）Ｓｌ＋ｕ１（２Ｓ２—１）｜ｓ２＋ｕｘ（２Ｓ３一１）Ｓ３＋ “Ｌ（２Ｓ４一１）Ｓ４＋４（ｕｕｓｌＳ２＋ｕＮＳ２Ｓｓ＋ｕｏＳｌ５３＋
ｕｐＳ，Ｓ４＋ｕ必２Ｓ４＋ｕＲＳ３￥４）
（１）
Ｆ＝Ｖｌ（２Ｓｌ—１）｜ｓｌ＋ｖ．Ｊ，（２Ｓ２—１）Ｓ２＋ｖｘ（２Ｓ３—１）．ｓ３＋
机械传动 文章编号：１００４—２５３９（２００９）０４—００７２—０３
风力发电机齿轮箱体有限元分析
２００９正
（四川大学制造科学与工程学院，匹ｔＪ Ｊｌ成都６１００６５） 陈 毅 侯 力 马朝玲 蒋苏民
摘要风力发电齿轮箱体是风力发电机中的大型复杂零件，箱体的强度如何，直接影响到箱体内的 齿轮传动能否正常进行。针对国内首个２．５ＭＷ风力发电机组，建立了其齿轮箱体的三维模型，在实体 单元力学理论的基础上，以ＡＮＳＹＳ为分析平台，利用合适的约束和加载方法对箱体进行了分析，并对箱 体强度性能进行了合理的评估。通过分析，检验了设计的可行性，找到了设计的薄弱环节，提出了相应 的设计关键点和改进措施。分析结果已应用于工程实际中。
ＡＮＳＹＳ能够求解由有限元方法建立的联立方程， 求解的结果如下
（１）节点的自由度值，为基本解。 （２）原始解的导出值，为单元解。 单元解通常是在单元的公共点上计算出来的， ＡＮＳＹＳ程序将结果写人数据库和结果文件（Ｊｏｂｎａｍｅ． ＲＳＴ、ＲＴＨ、ＲＭＧ、ＲＩＬ）。ＡＮＳＹＳ程序中有几种解联立 方程的方法：直接解法（默认解法）、稀疏矩阵直接解
表示为
Ａ㈤＝ｏ．玎卢Ｔ＃ｅｄＶ
（１９）
其中，∥见式（１６），是对称矩阵，Ｖ是单元的体积。
万方数据
７４
机械传动
２００９年
３箱体的结构力学分析
３．１施加约束与载荷
（１）施加约束
按照实际工况，在对箱体的结
构和具体工作情况进行分析的基础上确定两个支撑的
底面全约束，一个侧面ｘ向约束，如图４所示。
图４约束示意图
在Ｓｏｌ’ｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ中设置好求解器后即可开始求解 计算。计算完成后进入后处理，得到结构静力分析云 图。分析结果如图６、图７所示，图６中显示最大等效 应力为９７．３ＭＰａ，可以明显看出转矩输入面的轴承径 向力在箱体中心孔周边引起的３处应力分布，从图６ 中云图颜色可以看出其应力值都很小。
如图７所示，可以清楚的看到最大应力出现在了 支撑下端面处，由于箱体的重心不在支撑面的垂直中 心面上，所以引起最大应力只出现在了支撑面下端面 的一侧（靠近转矩输入端），且有应力集中。从分析数 据上看，最大应力值小于２５０／１．４＝１７９ＭＰａ，在安全范 围内，但此处在制造时应引起高度重视，如出现加工缺 陷，后果将不堪设想。
根据材料弹性力学的一些基本概念可知，表示某
一点的应力状态，仅需要６个独立的应力分量，６个应
力分量可以表示为
仃１＝［％％％％ｒ，ｙ屯］
（４）
式中，％、％和屹是正应力，％、ｒ竹和毛是剪应力。
物体在受到载荷作用时，某一点位置的改变向量可以
在笛卡尔坐标中表示为
艿＝“（石，Ｙ，彳）ｆ＋ｔＩ（茹，Ｙ，ｚ）ｊ＋训（舅，Ｙ，ｚ）ｋ （５）
利用ＡＮＳＹＳ和ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的接口，在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 中将模型保存为）ＬＴ文件格式，在ＡＮＳＹＳ中以Ｐａｒａ．
ｓｏｌｉｄ方式将模型导入其中。经过多次实践表明，此方
法导入的模型在ＡＮＳＹＳ中尺寸不会发生任何变化，且
易进行网格划分，最后的实体模型如图１所示。 图ｌ中左下角有箱体的三维坐标，可以看出，石向
受力面积
，谥
施加载荷大小 ／１）ａ
Ａ组轴承孔 曰组轴承孔
１５２ ７９４．５１ ３９ １３０．５９
４２ ７２５．６６ ７５ ４７６．７６
３ ５７６ １７６．７１ ５１８ ４４５．５３
表１中，Ａ组轴承孔即是转矩输入端的３个在圆 周上成１２０。均布的孔，同样，Ｂ组为转矩输出端的３个 在圆周上成１２０。均布的孔，载荷加载如图５所示。 ３．２有限元求解
图６等效应力分布图
图７支撑下端面应力局部放大
如图８所示为位移分布 图，可以从图中看出最大位 移出现的地方以及其值，如 变化位移过大，则应该采取 措施，如增加边缘厚度、加筋
亨。图８中，．曼奎烹磐移
为０．１０７ｒｒｒｎ，则不必处理。
图 ’。 ８位移 ～。分一布。图
４结论
（１）转矩输入端的轴承孔（Ａ组）尺寸小，受到径 向力较大，是加工时应该注意的关键地方。经过分析， Ａ组轴承孔能够承受较大的径向力，不会造成破坏。
８＝ＬＵ
（９）
其中
ａｕ Ｏｘ
ａ移
Ｏｙ
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Ｏｗ Ｏｚ
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万＋瓦
（１０）
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ａ１１， ９ｗ