850KW風(fēng)力發(fā)電機組機艙底座有限元分析

崔慧娟 鄭甲紅

（1.咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.陜西科技大學(xué) 機電學(xué)院，陜西 西安 710021）

1 緒論

近幾年來，風(fēng)電在中國幾乎以“大躍進(jìn)”的速度飛速發(fā)展。 過去7年年平均增長速度達(dá)到56%。 至2008年底，全國風(fēng)電裝機已超過1 000 萬千瓦。 其中，2008年新增風(fēng)電裝機400 多萬千瓦，中國風(fēng)電裝機容量已位居世界第五位。我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也有了較大的進(jìn)步，以前國內(nèi)的風(fēng)電設(shè)備全部靠進(jìn)口，在90年代后，引進(jìn)國外先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機組的總體設(shè)計和制造技術(shù)，并在消化、吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，并具備了批量生產(chǎn)能力。

風(fēng)力發(fā)電機機艙底座是風(fēng)力發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)件， 它是安裝齒輪箱、發(fā)電機、偏航軸承等部件的重要結(jié)構(gòu)件。對850KW 風(fēng)力發(fā)電機機組中的獨立底座進(jìn)行分析， 獨立底座通常是剛性鑄件或焊接件，其上開設(shè)連接用的螺紋孔。底座承受來自葉輪的載荷及來自電機、齒輪箱和剎車的反作用載荷，因此它必須有足夠的剛度，以保持部件的相對位置。

2 機艙底座建模及其有限元分析

用PRO/E 建立機艙底座簡化模型， 然后導(dǎo)入ANSYS 軟件中，接著定義單元屬性，在ANSYS 中建立機艙底座的有限元模型，鑒于模型簡單，所以選5 級精度進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。 從而機艙底座的有限元模型就建立好了。

圖1 網(wǎng)格劃分后的三維模型

考慮到機艙的實際工作狀況，在艙底施加位移載荷。 對于力載荷的施加，把風(fēng)葉和輪轂等效轉(zhuǎn)化到軸承座位置上，也就是在主軸軸承座上施加一個等效的力和力矩。同時，軸承座和機艙連接處受到彎矩的作用，把增速箱重力、發(fā)電機的重力和彎矩分別施加到機艙底座模型相應(yīng)的位置。 考慮到ANSYS 施加彎矩載荷比較特殊，采用等效力偶矩的方法加載求解。

（1）由CX56/850 知，發(fā)電機的質(zhì)量為4 500kg，故機艙底座承受的來自于發(fā)電機的豎直向下的重力為：G1=m1g=7 000×10=70 000N。

（2）同理也可以求出機艙底座承受的來自于增速箱的豎直向下的重力為：G2=m2g=5 200×10=52 000N。

（3）葉片和輪轂的總重量:G3=m3g=（3m葉+m輪）×g=（9 000+3 850）×10=128 500N。

（4）機艙底座所受的豎直向下的合力為：F 合=G1+G2+G3=250 500N。

由于要施加的載荷中有力矩， 所以必須建立質(zhì)量點然后通過耦合的方法進(jìn)行有限元分析。 所以首先建立質(zhì)量點，在模型上面的正中間建立一個關(guān)鍵點， 然后在關(guān)鍵點上再建立一個關(guān)鍵點，然后賦予它質(zhì)量MASS21 的屬性，再通過Mesh Tool 將這個關(guān)鍵點劃分，即可產(chǎn)生一個質(zhì)量點。

質(zhì)量點建立好了后， 開始為耦合做準(zhǔn)備。 先選擇所耦合的面，然后選擇面上的所有節(jié)點，同時也選擇質(zhì)量點，以便耦合時方便選擇質(zhì)量點。 然后選擇Utility Menu:Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Rigid Region，先選擇質(zhì)量點，然后選擇所選面上的所有的節(jié)點，然后進(jìn)行耦合，耦合完成以后，就可以進(jìn)行加載了。 將機艙底座所受的載荷加載在質(zhì)量點上面， 定義重力加速度和邊界約束，然后求解。

圖2 施加約束條件后的模型

從求出的位移云圖知，最大位移為0.008 93mm。 其中X 向最大位移為0.004 48mm，發(fā)生在最底端的支撐面上；Y 向最大位移為0.000 203mm， 發(fā)生左側(cè)面的中間位置處；Z 向最大位移為0.008 56mm，發(fā)生在最左端處的位置。 各個方向上發(fā)生的位移都很小，并且下端面完全固定，所以從剛度分析情況，可以看到，機艙底座的剛度較好。

從機艙底座的應(yīng)力分布云圖可以看出， 機艙底座的大部分等效應(yīng)力為5Mpa 以下， 最大應(yīng)力值為4.01Mpa， 產(chǎn)生在下面2個底板的相接觸處的靠左端面附近處。 而機艙底座所使用的材料為Q345B，其材料的抗壓強度為（470-630）Mpa，取安全系數(shù)K=0.8，從而計算出σmax=4.01Mpa＜Kσb，從應(yīng)力分析的角度看，材料抵抗破壞的能力還有非常大的潛力。 可以看出，此機艙底座設(shè)計趨于保守。 還可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析，可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來合理而又經(jīng)濟(jì)地使用材料來使機艙底座受的應(yīng)力和位移變小， 從而增加機艙底座的使用壽命。

上面是機艙底座沒有加筋的有限元分析的結(jié)果， 現(xiàn)在對加筋的機艙底座進(jìn)行有限元分析，然后對比二者的區(qū)別。 由于方法和上面的沒有加筋的是一樣的，所以這里不再重復(fù)。 通過求解的結(jié)果分析，有加筋的機艙底座最大位移為0.007 89mm，發(fā)生在支撐面的最左邊處，下端面完全固定。 所以從剛度分析情況，可以看到，機艙底座的剛度較好。 從應(yīng)力分布云圖可以看出，最大應(yīng)力值為1.85Mpa， 產(chǎn)生在下面兩個底板的相接觸處靠左側(cè)面處。由于機艙底座所使用的材料為Q345B， 其材料的抗壓強度為（470-630）Mpa，取安全系數(shù)K=0.8，所以最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗壓強度，所以安全系數(shù)較高。

3 結(jié)論

通過對ANSYS 軟件的深入學(xué)習(xí)， 對850KW 風(fēng)力發(fā)電機組機艙底座進(jìn)行三位建模、載荷分析，運用ANSYS 有限元分析軟件對其進(jìn)行了靜強度分析和模態(tài)分析。從沒有加筋和加筋的最大變形量來看，二者變化，一個為0.00893mm，一個為0.007 89mm，都滿足變形量要求，變形量都在微小的正常的變化范圍內(nèi)。 從應(yīng)力方面來看，一個為4.01Mpa，一個為1.85Mpa，從應(yīng)力對比計算的結(jié)果看，變化量還是很大的，為53.9%，說明加筋后機艙底座的應(yīng)力大大減小，從而使材料耐用性大大增強，使用時間也變得更長，故綜合考慮選擇加筋的機艙底座較好。 在模態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)，可能會產(chǎn)生某些局部振動，表明機艙底座局部剛度較低，組成機艙底座各部位結(jié)構(gòu)存在剛度不均勻的現(xiàn)象， 機艙底座的動態(tài)特性一般。

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