熱點影響矩陣法在風電機組機架結構極限強度分析中的應用

龔學進，廖暉，陽小林，張俊

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

熱點影響矩陣法在風電機組機架結構極限強度分析中的應用

龔學進，廖暉，陽小林，張俊

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章利用 Excel與 W orkbench 腳本語言工具將熱點應力影響矩陣法應用于風電機組機架極限強度分析。 通過編制腳本， 在 Excel表格中輸入極限載荷很快就可以輸出熱點處的 von-M ises應力。 除幾何突變和網格奇異位置外， 一般計算結 果相對誤差 在 6%以內 ， 且熱點 von-M ises應力值越 大絕對誤差 越小， 相對 誤差也越小 。 利用熱點應力影響 矩陣法可以對機架結構熱點處的極限強度分析作出快速判斷，運用此法極大地節(jié)省了設計時間和人力成本。

影響矩陣， 熱點， 極限強度， 風電機組， 機架， Workbench 腳本

0引言

隨著風電市場競爭的日益激烈，為降低生產和維護成本必然會對風電機組結構部件提出通用性和可靠性要求。機架作為風電機組最主要的受力支撐件，承載著來自風輪、主軸、齒輪箱和發(fā)電機等系統(tǒng)的動靜載荷作用，其結構的安全性和普適性對風電營銷和售后服務市場有著必然聯(lián)系。某機型機架若能滿足不同類型風場要求，從成本和商機兩個因素來看，必然會引起巨大的市場效應；設計通用普適型機架適應不同風場，對結構強度作出快速分析至關重要。根據(jù)工程經驗將機架強度薄弱的局部位置設為熱點， 利用與 Excel等通用辦公軟件結合的熱點應力影響矩陣法能快速對不同風場載荷下熱點的極限強度作出分析。利用本文的研究方法建立的計算模板可以快速、準確地判斷結構熱點的安全性，不同風況同一機架的初步極限強度校核只需更換 Excel計算模板載荷即可，這種有效分析方法為激烈的風電競爭市場贏得了更多寶貴的時間和空間。

1 影響矩陣法

在線彈性范圍內，結構上任一點處的應力分量 σx， σy， σz， τxy=τyx， τyz=τzy， τxz=τzx與載荷 成線性關系，結合結構熱點的影響矩陣和極限載荷可以分析結構熱點處的極限強度。故獲取正負單位載荷下熱點的應力矩陣影響系數(shù)，再根據(jù)極限載荷正負組合形成 6×6 應力組合矩陣， 極限載荷下熱點的受力情況就可以通過極限載荷與對應的6× 6應力組合矩陣線性疊加得出。

結構上任一點 P （本文中選取熱點 1、 2、 3、4）的 6 個直角坐標面上的應力 分量 σx， σy， σz，τxy， τyx， τyz， τzy， τzx， τxz已知， 就可以求出該點的主應力和等效應力。局部單元坐標系下熱點的6個應力分量 （共 9個應力分量， 但根據(jù)切應力互等定理只有6個獨立分量）矩陣表示為:

主應力 （σ1， σ2， σ3）由變量 σ 的三次方程求解出， 方程的 3 個實根 σ1， σ2， σ3就是熱點位置的3個主應力。

其中， τxy=τyx， τyz=τzy， τzx=τxz。

von-Mises 等效應力 σe為:

2 應力影響矩陣法計算

建立機架正負單位載荷 （計算中載荷放大1E6 倍）下有限元模型的計算模板， 建立分析熱點的局部坐標系， 利用 Workbench 腳本語言輸出單位載荷下熱點的6個空間應力值，即得到應力影響矩陣。

運 用 Workbench 腳 本[1-3]程 序 在 Excel 中 自 動輸出單位工況下熱點的6個應力分量結果，在Excel計算模板中直接粘貼上輪轂中心極限載荷表格， 極限工況下機架熱點的 von-Mises 應力值自動輸出。 整個計算過程自動處理流程圖見圖1。 分析選取熱點位置如圖2所示，機架單位工況計算模板中熱點位置通過坐標系定位，分析其他熱點只需更換坐標系即可。

圖1 自動處理程序流程圖

計算中機架采用 S275NL 材料[4]， 彈性模量 E= 2.12E5 MPa， 泊 松 比 μ =0.3， 密 度 ρ=7.85E-9 T/ mm3， 有限元模型單位載荷見表 1。

圖2 機架熱點位置

表1 正負單位載荷 （計算中載荷放大 1E6 倍）

2.1 Workbench 腳本程序輸出單位工況熱點應力

Workbench 腳本就是 Python 腳本[5-6]， 是一種面向對象的腳本語言。 Workbench 腳本是基于IronPython 2.6 編 制 的， 與.NET 框 架 有良 好 的 集成， 能夠方便地導入.NET 框架中的 clr （common language runtime， 通用 語言 運行 時）模塊 ， 能方便地實現(xiàn)與其他應用程序之間的交互。通過代碼就實現(xiàn)了 Workbench 和 Excel之間的交互。

首先， 在 Excel模板上創(chuàng)建分析結果數(shù)據(jù)表，添加 ActiveX 命令按鈕控件 List Results。 在腳本程序中為命令按鈕控件添加消息處理函數(shù)。在有限元前處理中， 將 Workbench 中所有工況下熱點的正應力和切應力設為參數(shù)， 以便通過 Workbench腳本中的代碼完成與載荷分量對應參數(shù)的寫操作。運行已 調試過的 Workbench 腳 本程 序， 然后 在Excel表中點擊按鈕 List Results （見圖 3）， 所有工況相應的分析結果將自動導入到 Workbench 中，此自動處理過程耗時僅需 1～2 s。 若用手工輸出數(shù)據(jù) （4 個熱點）則需要 3～4 h， 而且極易出錯。 分析熱點越多，數(shù)據(jù)量越大，腳本程序自動處理方法的優(yōu)勢越明顯。

2.2 應力影響系數(shù)矩陣的提取

通過 Excel模板自動生成影響系數(shù)矩陣， 如圖4和圖5所示。 提取的影響系數(shù)矩陣為不同極限工況下熱點的極限強度評估做準備。由于極限載荷力矩和集中力數(shù)量級 （統(tǒng)一單位制）分別在 109～10、 105， 一般情況下力矩對機架極限強度影響較大，本文為了計算的精確性，建立了包括所有力矩、力和重力靜載荷共13個工況下完備的影響系數(shù)矩陣。

圖3 單位載荷下熱點應力結果自動輸出

圖4 影響系數(shù)矩陣 _Part1

圖5 影響系數(shù)矩陣 _Part2

2.3 極限強度計算數(shù)據(jù)自動處理

在 Excel計算模板中導入輪轂中心極限載荷（見圖 6）， 相應工況應力矩陣和極限強度計算線性組合等工作 Excel會自動完成。

圖6 極限載荷工況

針對極限工況6個不同的載荷分量，在圖4和圖5中自動導出相應的量組合形成熱點對應的6×6 矩陣， 如圖 7 所示 （圖中僅選取其中的 2 個工況 Mx_MAX 和 Mx_MIN）。 Excel中具體操作是:圖6中極限載荷分量為正， 圖7中相應分量取影響矩陣圖4和圖5中對應工況正分量下應力系數(shù)；反之，取影響矩陣圖相應負工況下應力系數(shù)。

圖7 極限強度計算 6×6 組合矩陣

圖8為4個極限工況下熱點的極限強度分析在 Excel中的自動處理結果。 其中熱點位置的 6 個應力分量由圖7中的組合矩陣系數(shù)與圖 6的極限載荷線性組合得出； 圖中熱點 von-Mises 應力 σe由 式 （ 3）計 算 得 出 ； 安 全 裕 度 Msult=[σ]/σe-1，[σ] 為材料的許用應力， [σ]=σs/n-1， σs是材料的屈服極限 （S275NL 材料鋼板厚度 63～100 mm，σs=245MPa）， n 為安全系數(shù)， 對于機架的靜強度分析， 根據(jù) GL 規(guī)范 5.3.2.1 節(jié)[7]， 取安全系數(shù)為1.1。

圖8 熱點極限強度在 Excel中自動處理結果

3 熱點應力結果分析

圖8的計算結果表明:極限載荷工況下，除去個別熱點位置幾何突變和網格奇異點外，應力影響矩陣法與 Workbench 直接計算的 von-Mises 應力結果基本一致。 從表 2結果看， 熱點 1、 2和 3相對誤差大部分低于 6%， 熱點 4的相對誤差較大。 據(jù)分析熱點 1、 2、 3 與 4 個別工況相對誤差較大主要是由于機架結構熱點局部位置網格奇異和幾何突變造成的。若熱點位置處幾何形狀連續(xù)且規(guī)則，計算影響矩陣系數(shù)時的有限元網格是規(guī)則六面體或正四面體，則相對誤差值將會變小。

表2 計算結果誤差

從表2的計算結果可以看出絕對誤差最大只有 13.88 MPa， 且熱點 von-Mises 應 力值 越 大絕 對誤差越小 （相對誤差也越?。?。 當 von-Mises 應力值高于 110MPa時， 相對誤差都在 3%以內， 這種計算結果的誤差范圍在有限元分析中完全能夠接受。

其中， Δ 為絕對誤差； σWB和 σEXCEL分別為熱點在 ANSYSWorkbench 與 Excel 中 的 計 算 von-Mises應力值之差； δ 為相對誤差。

4 結論

本文將影響矩陣法計算機架熱點的極限強度融入到 Excel自動處理計算模板中， 該法對于不同風區(qū)通用型機架的極限強度校核非?？旖菘尚?，計算誤差小，可將查看計算結果的等待時間由幾小時、甚至十幾小時縮減到幾秒鐘。該法的應用縮短了設計時間，間接為激烈的風電營銷市場提供了強大的技術支持。

本文的研究方法可以應用到其他結構部件的極限強度校核上，也可以類似地制作機架熱點焊縫極限強度自動計算模板和機架疲勞強度的自動計算模板，極大地提高風電機組結構部件強度分析效率。

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[4]王文斌, 等.機械 設計手冊: 新版第 5 卷[M]. 北京: 機 械工業(yè)出版社,2004:31-37

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[6]Mark Summerfield.Programm ing in Python 3,Second Edition[M].Pearson Education,Inc,2010

[7]Guideline for the certification ofw ind turbine[S].Germany, 2010,Ⅳ,Chapter 5:5-18

App lication of Influence Matrices Method of Hotspots in Analyzing Ultimate Strength on Main Frame ofW ind Turbine

Gong Xuejin， Liao Hui， Yang Xiaolin， Zhang Jun
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

Influencematricesmethod of hotspots stress can be applied to analyse ultimate strength on main frame of wind turbine through Excel and Workbench script.Once inputting ultimate load in Excel,then the von-Mises stress can be got quickly by scripts. Relative errors for general calculation results are within 6%besides some positionswith geometric catastrophe and grid singular.The greater von-Mises stress is,the smaller absolute error becomes,and the relative error is also smaller.Influencematricesmethod of hotspots stress can quickly get results of ultimate strength at hotspots onmain frame.It can greatly save design time and manpower cost.

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TK83

： B

： 1674-9987(2014)02-0043-05

龔學進 （1982-）， 男， 碩士， 助理工程師， 2010 年畢業(yè)于武漢理工大學力學專業(yè)， 主要從事風力發(fā)電機組結構強度分析方面的研究工作。