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基于ANSYS的风力发电机底盘的有限元分析

发布于:2021-05-04 21:40
有限元分析

       机舱底盘是风力发电机组中的重要组成部件,它上面支撑着风轮、传动系统、发电机、液压站和电控柜等重要的零部件;中间支撑着偏航减速器,使其输出小齿轮与固定在塔架顶部的偏航外齿轮正确啮合;下面与偏航轴承的动圈联接,在对风时带动机舱及风轮偏航。机舱底盘不但承受着来自这些零部件的各种载荷,而且作用在风轮上的轴向推力也通过机舱底盘传递到塔架上,因此需对机舱底盘的强度进行有限元分析
       采用一般材料力学的方法,无法进行计算,因此,本文采用ANSYS有限元分析App来解决这个问题。ANSYS作为一种强大的有限元分析App,已广泛应用于机械、电子、航空航天、汽车、船舶等各个领域,是现代设计中必不可少的工具。本文对沈阳工业大学研发的1 MW风力发电机的机舱底盘进行静强度计算,目的是校核其强度,然后进行结构调整,使之满足设计要求。
       机舱底盘受力比较复杂,除受到上述各零部件的重力外,前端还受到空气对风轮的气动推力, 中间还有增速箱和发电机的大扭矩作用,四周还有空气对机舱罩的气动阻力,这些力都将通过支撑点转化到机舱底盘上。
       空气对风轮的气动推力,应在最危险的暴风工况时进行计算,以确保风力机在暴风情况下也不会发生破坏。顺风向气动阻力计算时将机舱近似视为三维。
       机舱底盘上支撑的零部件比较多,为简化计算,在结构的质量载荷分析中,则需要分辨出各零部件的支撑情况,据此进行质量重组,可能从另外的系统中分离一部分质量加入本系统。基于上述原因,在确定机舱底盘支撑座的质量载荷时,对原有系统的计算质量进行了分离及重组,然后算出它们重组后的质量和重心位置,如图1和图2所示。其中轮毂、桨叶和变距电机等重组为风轮重量;增速箱、刹车轧和联轴器一半等重组为增速箱重量;主轴承及轴承座重组为轴承座重量;发电机及联轴器一半重组为发电机重量。并且增速箱和发电机在垂直轴向的平面上还有扭矩作用,如图3所示。
       为便于计算机舱底盘支撑座载荷,将机舱底盘支撑的结构系统分3部分进行计算:①主轴传动系统(风轮、主轴、主轴承及主轴承座、增速箱与联轴器1/2结构);②发电机系统(发电机及联轴器1/2结构);③非传动附件(偏航电机、液压站、主电气柜、提升机、机舱罩)。对于③部分的零部件,都是独立作用的,其重量平均作用在支撑点上。对于①、②两部分,通过质量重组计算后按图1和图2的受力分析图进行计算。由于增速箱和发电机在垂直轴向的平面上还有扭矩作用,将对支撑点产生一个倾覆力矩。
此根据图3再把它们的扭矩作用考虑进去。对于机舱罩所受的气动阻力,将它平均加在机舱罩的各个支撑点上。各支撑点受力大小见表1。其中,主轴承座、增速箱座、发电机座和偏航支座为面支撑,其它的由于接触面比较小可视为点支撑。
       ANSYS有限元分析App的建模功能不是很强大,但是它与其他的CADApp都有接口,由于机舱底盘结构比较复杂,因此本论文采用SolideworksApp对机舱底盘进行实体建模,然后导入ANSYSApp进行网格划分和静强度分析。模型采用四面体10节点单元,自由网格划分,共划分176 073个单元和333 030个节点。实体建模时,在保证分析结果正确性的前提下,删去了不关键的小圆角、小倒角以便提高运算的速度。图4是风力机机舱底盘的有限元模型


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