兆瓦級風電機組焊接機架和結構螺栓的分析計算研究

【摘 要】在對兆瓦級風電機組進行生產設計以及相關運行維護的過程中，加強相關使用和維護認證具有重要意義，這是保障其基本運行與設計質量的關鍵所在。兆瓦級風電機組的嚴格認證是其自身屬性決定的，只有這樣才能保證風電機組的質量、安全運行。因此，一些國家甚至將風電機組認證作為專項法律加以規(guī)范。就目前風電機組認證市場規(guī)范情況來看，規(guī)范標準主要是IEC 614001、德國勞埃德（GL）認證規(guī)范和丹麥的DS 472標準，而國內則以北京鑒衡認證中心為準。

【關鍵詞】兆瓦級 風電機組 焊接機架 結構螺栓

風電機組焊接機架結構十分復雜，其作為風電機組當中一個十分重要的部件對整個機組的運行至關重要。因為機架屬于風電機組的承力部件，其承載著主軸輪轂全部荷載以及齒輪箱造成的荷載。另外就是發(fā)電機以及偏航電機的荷載也都歸屬于機架結構?；谶@種情況，通常會對機架進行計算分析，確保其使用期限在20年范圍內。另外，需要注意的是風電機組發(fā)揮作用需要螺栓進行連接，實現(xiàn)對螺栓的分析，是保障機組安全性的關鍵。本文正是針對兆瓦級風電機組焊接機架以及結構螺栓進行分析計算研究。

一、機架極限強度計算與分析

在三維軟件當中生成幾何模型，根據(jù)有限元計算法以及結構力學方法實現(xiàn)機架強度分析，簡化相關部件。根據(jù)建立完成的模型，進行網格劃分與邊界定義。為了保障準確性，可以進行網格質量檢測。

需要注意的是安全裕度Msult的定義，也就是Msult=[σ]/σm-1，其中當安全裕度值范圍>0時，機架結構會保持在穩(wěn)定性良好的狀態(tài)下，也就是說，這種情況下的機架處于安全狀態(tài)。這其中的σ表示的是材料本身的許用應力。σm則為經過計算得到的最大應力值。這當中σs表示為 材料本身的屈服極限值；另外， n 則表示的是安全系數(shù)，通過分析機架靜強度，以GL 當中的5.3.2.1 節(jié)為規(guī)范，取得安全值為1.1。通過整體架構與分析，比較16 輪轂的應力情況，以及機架最大應力值情況。

二、機架疲勞壽命計算與分析

從結構上看，機架疲勞壽命計算與分析與靜強度計算分析模型基本相似，但是焊接結構中的機架疲勞壽命計算分析則又有自身的特點。因為機架疲勞造成的破壞主要是在焊縫當中，因此，會需要對焊縫處形成兩個單元。焊址位置上的應力數(shù)值可以通過分析得到，根據(jù)焊接規(guī)定中的論述，在進行有限元計算的過程中應力數(shù)據(jù)會出現(xiàn)變化。

考慮疲勞安全系數(shù)，機架焊縫疲勞損傷判據(jù)為：

γm——焊縫的安全系數(shù)，取為1.1；△σx S，d——焊縫許用疲勞正應力，由焊縫疲勞等級確定；△τxyS，d——焊縫許用疲勞切應力，由焊縫疲勞等級確定；△σx S，d 和△τxy S，d 之間的數(shù)據(jù)依據(jù)GL 標準當中提供的SN 曲線聯(lián)合疲勞壽命數(shù)據(jù)得出推導結果。另外，十分重要的一點內容是機架模態(tài)分析。也就是為了能夠實現(xiàn)機架固定頻率以及風機頻率一致的一種模態(tài)，機架需要建立共振環(huán)境。通過這種共振環(huán)境分析，機架結構能夠得到很好的反映。

三、結語

綜上所述，因為機架結構十分復雜，負載情況也受到多方面因素的影響，在分析強度的過程中基本上采用有限元的計算法。另外，分析機架疲勞和使用壽命的過程中，則采用有限元加靜止坐標輪轂載荷分析。通過提取相關熱點的應力值，得到焊趾處應力。另外，根據(jù)單位載荷和焊址處應力的關系，對疲勞載荷普利用通道合并和雨流統(tǒng)計方法得到焊縫的等效疲勞載荷，再根據(jù)GL 規(guī)范提供的材料SN 曲線和循環(huán)次數(shù)得到許用疲勞正應力和許用疲勞正應力，利用EC 3 1-9 中提供的焊縫疲勞損傷判據(jù)判斷熱點是否安全。

參考文獻：

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