风力发电机轮毂的有限元分析

№．２　・６Ｏ・　陕西科技大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＡＮＸＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　Ａｐｒ．２０１１　Ｖｏ１．２９　

文章编号：１０００—５８１１（２０１１）０２—００６０—０２　

８５０　ｋＷ风力发电机轮毂有限元分析　

郑甲红，李　敏　

（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安７１００２１）　

摘　要：采用三维绘图软件对轮毂结构进行了简化，并利用大型有限元软件ＡＮＳＹＳ对轮毂结　构进行了仿真计算，不仅得到了其较为准确的应力应变分布，发现了其应力集中部位所在，而　

且还可以很方便地对结构进行减重修形．通过分析轮毂各不同质点的应力以及载荷与约束条　件，验证其满足强度条件．　

关键词：轮毂；ＡＮＳＹＳ　Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；强度条件　

中图法分类号：ＴＨ１１４　文献标识码：Ａ　

０　引　言　

现代风力发电机组是集空气动力学、机械工程、计算机控制技术等多学科技术于一身的高科技技术产　

品，设计如此复杂的系统需要完善的分析技术来支持．风电机组运行在随机变化的自然环境中，受力情况　

非常复杂．由于风电组的大型化，结构的变形也更加显著，因此风电机组主要部件的静力学问题和动力学　

问题更加突出．轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件，承担抵抗风载、传递转矩的作用，体积较　大，安装不便，为了提高轮毂的安全性和可靠性，必须保证轮毂在承受静载荷和高应力的情况下具有可靠　

的强度、刚度、抗疲劳破坏的能力和足够的疲劳寿命，因此对轮毂进行精确地强度分析尤为重要．　

本文应用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对风力发电机的轮毂进行了强度分析，详细探讨了疲劳仿真分析　的技术和过程．从仿真分析计算的等效应力云图以及整体变形图中，可以直观地判断出该轮毂的危险区　

域，为轮毂设计提供有效依据，解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题．　

１轮毂三维建模　

根据轮毂的外形特征，在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ环境中创建轮毂模型．首先　创建轮毂与叶片的接触面，使用拉伸工具，然后是整个球外形的创建，　

第７期　２０１１年７月　机械设计与制造　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　７　

文章编号：１００１—３９９７（２０１１）０７—０００７—０２　

２ＭＷ风力发电机轮毂优化设计　：｝：　

郑甲红杜翠　（陕西科技大学机电工程学院，西安７１００２１）　

Ｈｕｂ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　２ＭＷ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　

ＺＨＥＮＧ　Ｊｉａ—ｈｏｎｇ，ＤＵ　Ｃｕｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）　

；　【摘要】优化设计是一种为了让自己的设计材料最省、支出最小的一种技术。通常，在设计中，会｛　

２有许多的设计方案以供选择，如何从众多的方案中选择一个最好的方案，就需要有较好的设计方法。优｛　ｌ化设计的方法有很多，而拓扑优化又称结构布局优化，是一种根据优化目标、载荷及约束而寻求结构材２　

｝料最佳分配的优化方法。针对２ＭＷ风力发电机轮毂进行了拓扑优化，对比分析了优化前后轮毂的质｛　

ｌ量、及联合工况下的应力和变形，结果表明，联合工况下的应力及变形减小，动态应力最大值减小，动态｛　｝强度提高；并在三维软件中重建模型，验证优化后模型进行工程实践的可行性。　《　

ｌ　关键词：拓扑优化；风力发电机；轮毂　｛　｝　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｄｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓ　ｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ｓ倒ｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｌｅａｓｔ　ｃｏｓｔ．Ｕｓｕａｌｌｙ，ｔｈｅｒｅ　ｗｉｌｌ｛　

ｌ　ｂｅ口ｌｏｔ　ｏｆｄｅｓｉｇｎｓ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ，ａｎｄ　０　ｂｅｔｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｔｏ　ｃｈｏｏｓｅ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｏｎｅ．１　

｝Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙ　ｗａｙｓ　ｏｆｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｋｎｏｗｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｐｔｉｍｉｚａ－《　

理论广角　ｌ■　

浅析１．５　Ｍ　Ｗ级风力发电机轮毂的结构优化　

张振和　王江　（１．沈阳远大科技电工有限公司辽宁沈阳１１００２７，２．沈阳远大科技电工有限公司辽宁沈阳Ｉ１００２７）　［摘要］本文以１．５ＭＷ级风力发电机轮毂为研究对象，先对轮毂进行拓扑优化，验证拓扑结构，然后对轮毂进行自由尺寸优化，设计出一种新型的轮毂结　构，优化后的轮毂不仅在重量上有所降低，而且轮毂的强度也得到了加强，疲劳寿命满足使用要求。　［关键词］轮毂；拓扑优化；有限元法；尺寸优化　中图分类号：ＴＭ３１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１４）０９～０３１２　０２　

风力发电在中国起步较晚，过去几年国内生产的大型风电机组均采用引进　图样的方式生产。在消化与吸收外国技术的基础上，风电行业需要大胆改进产　品技术，创造出适合中国特色的风力发电机，但是国内很少有人系统地对风机　关键部件进行结构优化。　轮毂在大型风力发电机传动系统中连接叶片和主轴，承受复杂的交变载　荷，这对轮毂强度提出很高的要求。为了满足强度要求，有些轮毂设计得非常笨　重而且巨大，轮毂过重增加Ｔ制造成本，同时转动惯量过大增加了系统控制难　度，因此有必要对轮毂进行结构优化设计。　目前对优化问题最常用的算法是数学规划法，Ａｌｔａｉｒ公司的有限元软件　ＯｐｔｉＳｔｒｕｃｔ采用的凸规划对偶法，是当今最成熟也是应用最广泛的优化软件。　本文以现国内风机行业主流产品１．５ＭＷ双馈风力发电机的轮毂为优化对象，　首先对轮毂设计空间进行拓扑优化，验证轮毂拓扑形状并提出改进意见，然后　对轮毂进行减重结构优化，采用自由尺寸优化方法，找出轮毂具体的厚度分布，　重新设计轮毂，计算轮毂结构极限静强度和疲劳强度。　１轮毂的结构拓扑优化　１．１建立有限元模型　１．５ＭＷ级风力发电机的轮毂连接三个叶片组成风轮，风轮扑捉风能，然后　

８　黜　翳》　ｌ　Ｈ　＃　黧辩　隧曝　嫩　２　．１蛇　

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科技创新　２０１３年第１６期ｌ科技创新与应用　风力发电机组轮毂极限强度的有限元分析　唐蕾　（１、辽宁省沈阳市华创风能有限公司，辽宁沈阳１１００２７　李晶　２、辽宁省沈阳市友联电子装备有限公司，辽宁沈阳１　１０１６８）　摘要：文章是基于有限元理论，对兆瓦级风力发电机组的轮毂进行强度及疲劳计算。轮毂是风力发电机中的重要组成部分，铸　造而成，是将机械能转换为电能的核心部件，其形状复杂，轮毂的设计质量会直接影响到整个机组的正常运行及使用寿命，在其　受复杂风载荷的作用下，其强度和疲劳耐久性成为此行业关注的焦点。此分析利用大型有限元分析软件Ａｎｓｙｓ对轮毂模型分析。　模型中包含轮毂、主轴及叶片，从轮毂的应力分布情况，从中找出最危险的部位，为轮毂的设计提供可靠依据。　关键词：风力发电机；轮毂；有限元分析；极限强度　１绪论　１．１课题研究背景　经济发展过程中，我国作为世界上人口最多的发展中　国家，能源消耗量不断增加，传统化石能源无以为继，面临　的能源开发利用的资源约束越来越多，环境压力也越来越　大。如今，生态环境承载能力弱、资源相对紧张。传统能源　利用导致的环境问题越来越严重，以及全国范围内的雾霾　天气都在提醒我们要努力做到全面、协调、可持续发展，以　符合当今国情。在众多的可再生能源中，风能以其巨大的　优越性和发展潜力受到人们的瞩目。　１．２轮毂在大型风力发电机组的重要性　在大型风力发电机组中，轮毂是核心构件，其不仅承　担着与驱动连的链接，而且将叶片所受的风载荷通过主轴　传递给齿轮箱，承担着风力发电机组容量增大而带来的更　大的负荷。它需要有足够的强度和刚度，以保证机组在各　图１轮毂简化后几何模型　图２轮毂极限强度应力分布图　种工况下能正常运行。由此可看出轮毂在风力发电机组的设计和制造　过程中的重要性。　２轮毂的强度校核计算　２１轮毂模型介绍　轮毂模型结构见图１　此机组风轮由三片叶片对称安装在轮毂上构成，叶片间的夹角为　１２０￣。利用ＣＡＤ绘图软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ，绘制了轮毂的三维实体几何简化　模型。在保证计算精度的前提下，由于小的孔类、圆角及小凸台类结构　对计算结果影响很小并且不是关键部位，已经略去。叶片产生的气动载　荷以及由于风轮旋转和机舱对风轮转动引起的离心力、惯陛力和重力　通过三片叶片连接点传递到轮毂上，这些载荷和轮毂自身的重力构成　了轮毂载荷。最终，轮毂简化后的几何模型如图１所示。　按照轮毂传力关系，我们应在Ａｎｓｙｓ中建立出叶片和主轴。叶片与　主轴的接触方式我们可有两种选择，一种是以共节点的方法视轮毂、主　轴和叶片为一体，此种方法的优点是计算精度高，网格较为匹配。第二　种方法是利用接触即Ａｎｓｙｓ中的ｃｏｎｔａｃｔ，此种方法的优点是，不用考虑　网格之间的匹配关系，划分网格较为容易，但轮毂网格已经进行加密，　而叶片处不是计算所关　的部位，网格的划分较为粗糙，接触时易发生　穿透现象，避免此现象的发生需要不断调节叶片的网格。在本次计算　中，我们所采用的方法为第一种。　２２材料介绍　在有限元分析计算中，结构静强度分析主要考虑的是材料的弹性　模量和泊松比。本文采用的轮毂为铸件结构，其材料为球墨铸铁　ＱＴ４００－１８ＡＬ，具有良好的低温冲击韧性，铸造性能好，耐磨、耐热、耐腐　蚀陛菠好；成本低等。其杨氏模量为１．７３Ｅ＋１１Ｎ／ｍ２，泊松比是０．３，抗拉强　度３．９Ｅ＋８Ｐａ，屈服强度２．５Ｅ＋８Ｐａ，在风力发电机组中大部分铸件都采用　此材料。主轴采用的材料为４２ＣｒＭｏ，其是合金结构钢，有很高的静力强　度、冲击韧性及较高的疲劳极限。叶片的材料为高强玻璃钢，在本次分　析中视为各相同性材料，此材料质轻、高强、耐腐蚀等优良性能。主轴和　叶片的杨氏模量为２．０６Ｅ＋１　１Ｎ／ｍｚ，泊松比是　３。在本文中都采用国际单　位制。　２Ｉ３分析采用的坐标系　坐标系引用ＧＬ规范第四章中，轮毂坐标系，轮毂迎风方向为ｘ正　方向，ｚ为塔架竖直向上的方向为正。　２．４轮毂有限元网格的划分　作为有限元仿真分析，模型的网格划分质量直接影响着后续分析　结构的准确程度。在本次分析中，轮毂采用的是三维实体单元，由于轮　毂与叶片连接处圆角及相贯特征较多，易出现应力集中现象，应在这个　部位进行网格加密。在单元的阶次上采用二次单元。所以，此次分析采　用单元类型为二次十节点四面体单元ｓｏｌｉｄ１８７。　在分网前处理模型，将轮毂与叶片连接处的根部加密，在所要切割　部位做工作平面坐标，利用坐标系的ＸＹ平面切分轮毂模型。在不需要　加密的部分，可选择一个较大的尺寸来划分网格，在轮毂的厚度方向上　至少保持３＿５个单元以上。在加密处，单元尺寸要以小的圆角或易出现　应力集中部位保证３个单元。　２．５轮毂计算的边界条件　轮毂的计算边界条件是模拟轮毂在静态环境下，风载荷通过叶片　传递给轮毂，而在Ａｎｓｙｓ中，在叶根中心处分别建立节点与叶片的端部　做接触，此处为刚性接触。由Ｂｌａｄｅｄ软件计算出的此计组的极限工况载　荷分别施加在这三个节点处。在三个节点处要分别建立局部坐标系以　叶片方向为Ｚ轴，主轴的方向为ｘ轴，由右手定则确定Ｙ轴。　２．６极限强度计算　根据轮毂的实际安装情况，轮毂所受的力通过主轴传递给齿轮箱，　主轴端部施加全约束。将各载荷施加在叶根中心节点上。计算采用极限　工况２Ｍｙ－ｍｉｎ，１Ｍｘ：－４４３，１Ｍｙ：－－４２８，１Ｍｚ：６１６，１Ｆｘ：一３．５，１Ｆｙ：３２，１Ｆｚ：　３５８，２Ｍｘ：－１４７７，２Ｍｙ：＿＿４６１５，２Ｍｚ：一２９，２Ｆｘ：一１９３，　２Ｆｙ：６４，２Ｆｚ：　２３０，３Ｍｘ：９２１，３Ｍｙ：２０９，３Ｍｚ：１．５，３Ｆｘ：１２，３Ｆｙ：一８８，３Ｆ　ｚ：３４９。单位为ＫＮ和ＫＮｍ　２．７计算结果　根据工况载荷的计算，得出轮毂的Ｖ．Ｍｉｓｅｓ应力为１９５Ｍｐａ，应力最　大位置为轮毂叶根处。最大变形量为４．８７ｍｍ。　根据Ｖ．Ｍｉｓｅｓ应力塑形材料标准，安全系数取１．１。轮毂材料的屈服　厦力力：　Ｒ　０　２　２４０Ｎ／ｍｍ　寸　Ｏ＇ｚｕ　＝２１８Ｎ｜ｍｍ２　经计算得出轮毂最大Ｖ．Ｍｉｓｅｓ应力为：￣，＝１９５Ｍｐａ。极限强度利用　水平的验证：　口：—Ｏ＇ｍ—ａｘ：—１９—５—Ｎ—／—ｍ＿ｍ２：０．８９＜１Ｏ　“一一一————————————　一．＼　Ｏ＇ｚｕｉ　２１８Ｎ｜ｍｍ　一　此轮毂在此极限工况下极限强度合格。结果云图如图２　参考文献　［１］中国船级社风力发电机组规范．　［２］成大先主编．机械设计手册涕５版．北京：化学工业出版社，２０ｏ７．　［３］美国ＡＮＳＹＳ公司北京办事￣ＡＮＳＹＳ非线性分析指南，１９９８．　［４］哈尔滨工业大学理论力学教研室编．理论力学．第６版．北京：高等教育　出　ｌｆ５　．