基于ANSYS Workbench水轮发电机螺栓法兰连接有限元分析

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【摘要】为保证风力发电机在恶劣的自然环境中可靠运行,需要对风力发电机塔架转接段法兰进行应力和疲劳分析.应用ANSYS有限元软件对风力发电机塔架的螺栓法兰连接结构进行应力分析,分析结果显示:当施加载荷时,法兰和螺栓中都出现应力集中;随着载荷的增大,法兰还出现弯曲现象;外侧螺栓产生的应力小于对应内侧螺栓产生的应力,可见内侧螺栓受到的影响较大,应特别注意.通过疲劳分析,确认选择35CrMoA合金钢材作为螺栓法兰结构的整体材料符合使用要求,为螺栓法兰结构选材提供了理论依据.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2018(056)012【总页数】4页(P17-20)【关键词】螺栓;法兰;连接;应力;疲劳;计算机【作者】徐静;薛欣玮;卢健【作者单位】西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TH131.31 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。

一、建立有限元模型与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。

但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。

因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。

鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。

1.导入实体模型可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。

还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。

模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。

坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。

图2导入后的模型2.生成舷墙(1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。

点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。

返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。

(2)沿甲板将船体分开，点击“Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。

湘潭大学兴湘学院毕业设计论文题目：连杆机构的有限元分析全套设计，加153893706专业：机械设计制造及其自动化学号： 2010963028 姓名：指导教师：完成日期： 2014 年 5 月 25 日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：连杆机构的有限元分析学号： 2010963028姓名：专业：机械设计制造及其自动化指导教师：系主任：一、主要内容及基本要求1、总结连杆机构设计方法研究和连杆机构研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究。

2、阐述学习理论基础，即瞬态动力学分析,简要论述瞬态参数,识别原理。

3、简要论述有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立连杆机构中的曲柄滑块机构的有限元模型，合理的确定曲柄长度及转速、连杆长度和转速，偏距，选定和创建单元类型，指点单元属性，创建铰链单元，采用瞬态动力学分析瞬态分析类型对其进行瞬态分析，与图解法进行比较，验证有限元瞬态求解功能。

4、联系工程实际，对受力连杆进行结构静力学学习。

二、重点研究的问题1、 ANSYS的线性静力分析2 、构建几何模型3、在三维铰链单元COMBIN7的创建4、单元类型选择和网络划分5、 ANSYS瞬态动力学分析和静力学分析三、进度安排四、应收集的资料及主要参考文献[1]高耀东，刘学杰.ANSYS机械工程应用精华50例（第三版）.- 北京：电子工业出版社，2011.[2]孙波.毕业设计宝典.-西安：西安电子科技大学出版社，2008.[3]温正，张文电.ANSYS14.0有限元分析权威指南.-北京：机械工业出版社，2013.[4]欧阳周，汪振华，刘道德.毕业论文和毕业设计说明书写作指南.-长沙：中南工业大学出版社，1996.[5]华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新.-北京：机械工业出版社，2008.[6]胡仁喜，康士廷.机械与结构有限元分析从入门到精通.-北京：机械工业出版社，2012.[7]李红云，赵社戌，孙雁.ANSYS10.0基础及工程应用.北京：机械工业出版社，2008.[8]唐家玮，马喜川.平面连杆机构运动综合.-哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.[9]潘存云，唐进元.机械原理.-长沙：中南大学出版社，2011.[10]李皓月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应用教程.-北京:中国铁道出版社，2003湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号2010963028 姓名谭磁安专机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目：连杆机构的有限元分析湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号2010963028 姓名谭磁安专业机械设计制造及其自动化毕业论文77 页图表30 张目录摘要............................................................................................ 错误！未定义书签。

第一篇ANSYS结构分析第1章接触分析1.1 螺栓和法兰联接的接触分析在各种机械结构中，螺栓联接是一种简单而普遍的联接形式。

螺栓联接的研究历史悠久，一个世纪以来，各种科研机构均对其进行过深入细致的研究，多采用两种常用的方法，理论解析法和有限单元法。

由于理论解析法要对结构进行简化，忽略了结构中许多非线性因素影响，如：螺栓联接结构的螺栓预紧作用和被联接法兰面之间的接触等非线性行为均不能模拟，分析的结果误差较大。

ANSYS有限元分析软件具有很强的非线性接触行为模拟能力，同时还能利用新开发的Pretention179单元模拟螺栓的预紧作用。

下面结合一个实际例子模拟说明螺栓和法兰之间的联接。

1.1.1 主轴联轴螺栓作用水轮发电机主轴联轴螺栓是水轮发电机重要联接部件，连接着水轮发电机主轴和转子支架。

在保证机组的正常稳定运行中起着极其重要的作用。

如果联轴螺栓联接不可靠，被联接法兰间存在间隙，必将会导致机组振动过大，影响机组的正常稳定运行。

情况严重时将导致联轴螺栓断裂，主轴脱落，产生不可挽回的损失。

下面的例子重点分析了主轴联轴螺栓强度和被联接圆盘的接触状态，利用ANSYS的APDL（ANSYS Parametric Design Language）脚本编程语言，编制程序进行参数化优化设计，这样就可以快捷地分析各种拓扑结构相似的螺栓结构。

该方法具有相当的通用性，适用于模拟多种螺栓联接结构。

12图1-1 主轴联轴螺栓结构有限元剖分示意图 图1-2 主轴联轴螺栓结构边界条件 1.1.2 主轴联轴螺栓分析流程针对上面结构的模型，采用了参数化编程语言编制了APDL 程序，建立了螺母和圆盘，螺母和主轴，圆盘和主轴之间的接触对，详细讲述了接触对的建立方法。

同时还详述了螺栓预紧单元（Pretention179）的建立方法和预紧单元的加载方法以及求解中需要注意的事项。

下面结合APSL 程序说明模拟过程，重要步骤给出GUI 操作方式。

0引言发电机是重要的运行部件，发电机基座是发电机运行的平台，其结构强度、刚度是否满足要求决定了发电机能否安全运行。

本文涉及的发电机基座安装有美国卡特柴油机，型号CAT3512B，功率1257kW，转速1500r/min；美国ABB 发电机，型号AMG0450BB04DAPM，功率1200kW，转速1500r/min；VULKAN联轴器，型号VULASTIK-L34D0。

1建立发电机基座模型柴油发电机组如图1所示。

整体式基座由8个减震器安装于平台。

基座材质Q345B组焊而成，分设左右两道纵梁、四道横梁，腹板内布置有筋板，外侧设有吊耳，基座自重约2800kg。

纵、横梁主焊缝为全熔透焊缝，热处理消应力。

采用三维软件建立发电机基座模型，并导入ANSYS Workbench，设置四面体网格单元，划分网格后，网格单元数794975个，节点数1360491个。

2计算载荷简化模型，将柴油机及发电机等效为远端质量点加载，且考虑为刚体。

减震器设置为弹簧连接，纵向刚性4400N/mm，横向刚性5300N/mm，减震器预压缩量5mm。

考虑0.8g额外加速度。

5种工况下载荷如表1所示，其中X方向为基座纵向，Y方向为基座垂向，Z方向为基座横向。

工况柴油机发电机加速度（m/s2）说明重量（kg）扭矩（N·m）重量（kg）扭矩（N·m）X方向Y方向Z方向123458600860086008600860080108010801046004600460046004600-8010-8010-80100.8g1g1.8g1.8g2.4g1g0.8g理想纵向颠簸横向颠簸起吊固有频率表1各工况载荷3计算结果分析提取基座工况1、工况2和工况4应力云图和变形云图。

从工况1、工况2应力云图可知，基座运行时最大应力均出现在减震器的紧固螺栓处，其应力最大值为分别为68MPa、154MPa，由材料屈服强度计算出安全系数分别为5、2.2。

8例1 螺栓连接件分析如图所示为一螺栓连接的法兰连接件简图，法兰一端及内侧面固定约束。

载荷1为螺栓预应力1000N载荷2为螺栓预应力1500N载荷3为螺栓预应力2000N根据实际情况，自己设定接触类型，其中摩擦类型接触对时，摩擦系数为0.1 为方便设置，材料均取钢材，求其变形及应力。

边界条件螺栓连接件分析1 导入几何模型，进入DS模块2 材料设置选择默认的材料：Structural Steel3 设置接触螺栓与螺母的接触类型为Bonded螺栓杆与法兰的接触类型为Frictional，摩擦系数为0.1螺栓杆与垫片内壁的接触类型为Frictional，摩擦系数为0.1其余接触类型为No Separation4 网格划分5 选择分析类型·在“New Analysis”中选择结构静力学分析“Static Structural”；6 施加约束与载荷1）施加固定约束·点击“Static Structural”，在“Supports”中选择固定约束“Fixed Support”·选择法兰一端及内侧面固定约束；2）施加载荷·选择载荷1处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为1000N ·选择载荷2处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为1500N ·选择载荷3处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为2000N5 设定求解类型1）求解变形·点击“solution”，点击“Deformation”选择“Total”，求解变形·点击“Stress”，选择“Equivalent (V on-Mises)”，求解等效应力6 单击“Solve”求解7 观察求解结果·点击“Total Deformation”查看变形·点击“Equivalent Stress”查看应力分布例2卡紧散热片的不锈钢扣件受力分析扣紧件是一个不锈钢的卡子，因为散热片同功率部件之间的接触力同最终的散热有很大关系，因此研究力的大小是很有意义的。

基于ANSYS风电机组轮毂和叶片的连结螺栓疲劳寿命分析作者：陆瑞来源：《风能》2016年第03期目前风电机组轮毂和叶片的连结螺栓疲劳寿命分析的通用方法有两种，一种是有限元计算，另一种是基于VD12230的工程算法。

以VD12230为基础的工程算法比较简单，但是在计算中某些参数和系数需要通过经验和习惯来设定，其计算结果的精度和准确度一直以来在行业内不被看好。

而有限元计算虽然在结构分析的步骤和周期上过于繁琐和漫长，但其计算结果可以很好地反映结构件在各工况下的安全性和稳定性，在工程应用中得到广泛采用和认可。

本文着重采用有限元分析的方法，以某1.5MW双馈机组为例，通过对轮毂变桨轴承和叶片之间连结螺栓的疲劳寿命分析，简要说明螺栓疲劳寿命的有限元计算方法，并在最后阐述有限元分析和工程算法计算的优缺点。

轮毂和叶片连接的几何模型首先建立轮毂和叶片连结的几何模型，模型（图1）中包括叶片假体、叶根法兰、变桨轴承、变桨电机、轮毂及主轴假体。

轮毂和叶片连接的有限元模型一、模型处理建立轮毂变桨轴承与叶片螺栓连接有限元模型，如图2（整体）、图3（局部）所示。

轮毂采用10节点四面体单元划分网格，主轴采用8节点六面体单元划分网格，叶片、叶根法兰、变桨轴承及螺栓等均为轴对称模型，网格采用1/N（N=54为螺栓个数）的模型网格绕对称轴旋转生成，因只考虑螺栓的应力，单元类型选低阶六面体单元。

考虑到轮毂变桨轴承连接法兰在轴向上的刚度变化对螺栓应力的影响，分析中保留1/3轮毂，同时考虑变桨轴承的非线性效应对螺栓应力的影响，轴承滚珠采用link10单元模拟。

在用实体单元模拟螺栓时，螺纹与连接件之间的接触关系设为绑定，传力面由螺栓杆部的等圆形截面突变为连接件的端部截面，会在关键螺纹部位产生不真实的应力集中现象，故采用beam188（绿色）梁单元来模拟螺栓，螺纹及部分螺栓头采用beam4（蓝色）和link8（洋红色）单元模拟。

根据工程经验，叶片螺栓一般在靠近横向螺栓或靠近螺母的螺纹处断裂，因此对颈缩段的两端进行网格加密（如图4），同时在对结果的后处理中，提取A、B两处的应力值来校核螺栓的强度。

10.16638/ki.1671-7988.2019.08.040基于ANSYS Workbench螺栓连接不同建模方法的有限元分析*王丽（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳712000）摘要：螺栓连接是机械工程中常见的连接方式，然而在不同的行业、不同的研究问题以及不同的工况下处理螺栓连接所使用的建模方法也有所不同。

不同建模方法是否会对机械组件的计算结果产生较大的影响、不同建模方法的特点、不同建模方法的适用场合、目前最主要的螺栓连接的建模方法等等问题，文章将以一个简单的例子予以回答，旨在为实际工程中螺栓连接问题的处理提供参考。

关键词：螺栓连接；建模方法；有限元分析；ANSYS Workbench软件中图分类号：TS103.3 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2019)08-126-04Finite Element Analysis of Different Modeling Methods for Bolted ConnectionsBased on ANSYS Workbench*Wang Li（Shaanxi Polytechnic Institute, Shaanxi Xianyang 712000）Abstract: Bolt connection is a common connection mode in mechanical engineering. However, the modeling methods used to deal with bolt connection are different in different industries, different research problems and different working conditions. Whether different modeling methods will have a great impact on the calculation results of mechanical components, the characteristics of different modeling methods, the applicable occasions of different modeling methods, and the most important modeling methods of bolted connections at present, will be answered by a simple example in this paper, in order to provide reference for the treatment of bolted connection problems in practical engineering.Keywords: Bolted connection; Modeling method; Finite element analysis; ANSYS Workbench softwareCLC NO.: TS103.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)08-126-04引言螺栓连接是机械设计及工程问题中常见的紧固连接方式，几乎所有的设备上都能用到螺栓连接。