兆瓦級風電機組前機架結構強度優(yōu)化設計研究

呂杏梅 鐘杰 李秀珍 陳文權

前機架是風電機組中最關鍵和承載最復雜的部件之一，其承受復雜交變的葉片氣動載荷和低速軸系（包括風輪系統(tǒng)、主軸、主軸承、主軸承座、齒輪箱等部件）的重力載荷。在前機架設計中，首先考慮其設計方案的可制造性，其次必須滿足極限強度和疲勞強度的要求，前機架設計及質(zhì)量的可靠性是保證風電機組安全穩(wěn)定運行的關鍵。為更加準確地評價前機架受力情況，并為前機架的強度設計提供更加科學的參考依據(jù)，本文在考慮主軸承和偏航軸承非線性的基礎上，采用合理的有限元模擬方式模擬偏航載荷對前機架底部的受力影響，并完善了在對前機架進行受力分析時的邊界條件。

前機架原方案靜強度分析

一、前機架有限元分析理論基礎

采用有限單元法對前機架進行靜強度分析，其基本思路是將連續(xù)的求解域離散成有限個單元的集合體，這樣的組合體能解析地模擬或逼近求解區(qū)域，另外是在單元內(nèi)假設近似的函數(shù)來表示全求解區(qū)域上待求的未知場函數(shù)，單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由單元節(jié)點位移的插值函數(shù)表達，并由變分原理建立單元的剛度矩陣。有限單元法的基本求解過程如下：

代入模型的幾何方程得到單元的應變與單元節(jié)點位移的關系：

根據(jù)模型的約束條件，從式（6）得到節(jié)點位移列陣，并依據(jù)式（3）得到各單元的應力值。

二、前機架網(wǎng)格模型的建立

本次分析所包括的結構件主要有前機架、風輪鎖緊盤、主軸軸承、齒輪箱彈性支撐、主軸、偏航軸承、偏航制動器、偏航制動盤、塔架。其中前機架采用C3D10M（四面體二次修正單元），此單元應用在應力分析中有較好的收斂性。

根據(jù)軸承滾子的傳力特點，軸承滾子采用只承受壓力而不承受拉力的GAP單元模擬，其模擬方式如圖2-4所示。

三、邊界條件設置

（一）位移邊界條件設置

位移約束：固定塔架底部的全部自由度。

接觸約束：對風輪鎖緊盤與主軸間、主軸承內(nèi)表面與主軸間、齒輪箱彈性支撐與前機架間、前機架與偏航軸承內(nèi)圈間、制動盤與偏航軸承外圈間、制動盤與塔架間建立綁定約束。

（二）載荷邊界條件設置

前機架采用球墨鑄鐵鑄造成型，其承受靜載荷均是根據(jù)GL2010規(guī)范中風況標準采用Bladed軟件仿真得到。前機架強度分析時采用靜止輪轂坐標系下的極限載荷（包括Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz）及齒輪箱的重力載荷。輪轂中心載荷通過剛性梁傳遞至主軸，再由主軸承傳遞至主軸承座、前機架、偏航系統(tǒng)，最終傳遞至塔架。因前機架的設計以靜強度為主，本文基于靜強度分析結果對前機架進行結構優(yōu)化。

風電機組的偏航載荷Mz從前機架通過制動器、偏航制動盤傳遞到塔架上，因此，在模擬載荷的傳遞路徑時，首先在制動器與摩擦片中心分別建立節(jié)點，然后將此節(jié)點分別與制動器和摩擦片的表面建立耦合約束，在全局坐標下，建立約束方程，耦合重合節(jié)點平動自由度（見圖5），以保證制動器與摩擦片之間可以垂向分離。

四、前機架靜強度分析結果

前機架的屈服強度要求小于200MPa，根據(jù)GL2010規(guī)范的要求，需考慮材料1.1的安全系數(shù)，因此其許用應力為181MPa。由原機架的受力云圖（見圖6）可以看出，超過181MPa的結構主要有3處：第一處位于機架前部減重孔處（見圖7），最大應力為236.2MPa；第二處位于機架底部（見圖8），最大應力為218.9MPa；第三處位于前機架側面減重孔處（見圖9），最大應力為222.2MPa。

前機架靜強度優(yōu)化設計

根據(jù)靜強度的分析結果，對原方案進行結構優(yōu)化。以重量最輕為目標，并以靜強度滿足設計要求為約束，經(jīng)過15次的結構優(yōu)化，得到滿足要求的前機架結構，迭代過程如表1所示。

在對前機架進行優(yōu)化設計時，主要針對原方案中超過許用強度的3處結構進行優(yōu)化。在結構優(yōu)化過程中，考慮鑄造工藝及結構要求，第一處圓孔被去除，由圖10可以看出，此時最大應力位于上部圓孔處，最大值降為162.7MPa；改變第二處結構的圓角和板厚，其應力降為圖11中的167.4MPa；改變第三處減重孔的大小，其應力降為圖12中的167.8MPa。

優(yōu)化方案前機架疲勞強度分析

根據(jù)靜強度的優(yōu)化結果，對優(yōu)化方案的前機架進行疲勞強度分析。

一、疲勞強度分析流程

前機架的疲勞破壞主要為高周疲勞，因此在對其進行疲勞強度計算時采用全壽命（S-N）分析，它以零件的應力為基礎，用循環(huán)計數(shù)法和Palmgren-Miner線性累積損傷理論（簡稱Miner理論）進行分析。

前機架的設計壽命為1E7，計算步驟如下：

（1）提取前機架所承受的彎矩、扭矩及力在疲勞載荷工況中的極值，即疲勞極限載荷。

（2）計算在疲勞極限載荷工況下前機架的應力。

（3）設置載荷：將疲勞極限載荷工況與疲勞載荷譜進行關聯(lián)。

（4）設置材料，定義S-N曲線：根據(jù)前機架的材料特性并依照GL2010規(guī)范擬合多應力比S-N曲線。

（5）疲勞損傷分析：采用絕對值最大主應力理論進行疲勞分析，并通過插值方法考慮平均應力的影響。

二、疲勞載荷邊界

風輪和齒輪箱的重力會對前機架的應力產(chǎn)生較大的影響，因此，在疲勞載荷分析中考慮彎矩的同時，必須要加上重力的作用。根據(jù)Bladed軟件對所有疲勞載荷工況極值的統(tǒng)計結果，選取扭矩Mx為2000kN·m，彎矩My和Mz為4000kN·m，力為600kN。

三、S-N曲線的設置

四、疲勞強度分析結果

前機架的疲勞損傷最大值為0.087，如圖13所示，出現(xiàn)在機架上平面的減重孔處。由該值小于1可知，前機架疲勞強度滿足設計要求。

結論

在有限元計算理論的基礎上，考慮主軸軸承、偏航軸承滾子剛度的影響，并模擬偏航載荷的傳力路徑，建立更加精確的前機架受力分析模型，通過對前機架進行15輪的結構優(yōu)化設計，最終得到滿足靜強度設計要求的前機架結構。根據(jù)GL2010標準，依據(jù)應力壽命分析方法對優(yōu)化方案前機架進行疲勞強度分析，結果顯示其同樣滿足設計要求。

（作者單位：中車株洲電力機車研究所有限公司）