一種大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子瓣法蘭變形有限元分析

劉清發(fā) 馬愷

摘要：為解決大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子瓣法蘭定位銷孔位置度偏差過大問題，分析了定子瓣生產(chǎn)過程中涉及吊運(yùn)的所有工序，用Solidworks建立定子瓣和吊具的簡(jiǎn)化三維對(duì)稱模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，求解了兩種極限吊運(yùn)荷載下定子支架法蘭銷孔的變形和應(yīng)力水平，確定了引起法蘭銷孔變形的主要控制工況。

關(guān)鍵詞：直驅(qū)永磁;定子瓣;定位銷孔位置度;有限元分析

1? ? 研究背景

風(fēng)能作為一種重要的可再生能源，具有清潔、安全、無污染、儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，因而受到世界各國(guó)的普遍重視。2010—2019年期間，我國(guó)風(fēng)電規(guī)模實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)，裝機(jī)容量占比不斷擴(kuò)大，躍升為我國(guó)第三大電力來源。為控制定子瓣？準(zhǔn)20法蘭定位銷孔的變形量，本文采用有限元法模擬了定子瓣吊運(yùn)過程中相應(yīng)位置處的變形情況，為吊運(yùn)工裝的改進(jìn)、優(yōu)化提供了一些有限元仿真數(shù)據(jù)支撐。

2? ? 吊裝過程有限元分析

2.1? ? 受力分析

定子瓣生產(chǎn)過程涉及產(chǎn)品吊裝的過程有：入廠定子支架吊運(yùn)至疊片區(qū)域、鐵芯總成吊運(yùn)至嵌線作業(yè)區(qū)、定子瓣成品裝箱發(fā)貨等。

整個(gè)生產(chǎn)過程中存在兩點(diǎn)吊運(yùn)和四點(diǎn)吊運(yùn)兩種形式，有兩種極限的受力工況，其中兩點(diǎn)吊運(yùn)的極限荷載為鐵芯總成重量，四點(diǎn)吊運(yùn)的極限荷載為定子瓣成品重量。

2.2? ? 三維模型的簡(jiǎn)化

將定子鐵芯三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中有1 700多個(gè)Part，數(shù)量巨大且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的配置和計(jì)算結(jié)果的收斂性，有必要對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。求解的部分主要為上下法蘭的孔變形，主要對(duì)定子支架、線圈等形狀復(fù)雜且對(duì)求解結(jié)果影響不大的部分進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理。

2.3? ? 接觸設(shè)置

Ansys Workbench中提供了6種接觸類型[1]：Bonded、No Separation、Frictionless、Rough、Frictional、Forced Frictional Sliding。對(duì)定子瓣吊裝過程分析時(shí)，接觸類型為Bonded（綁定接觸）。

2.4? ? 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

為提高計(jì)算效率，采用局部網(wǎng)格細(xì)化的方式劃分網(wǎng)格。以連接板厚為25 mm的求解模型為例，吊具、定子法蘭、螺栓的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，連接板的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5 mm，法蘭盤上定位孔的尺寸為2 mm。共計(jì)260 181個(gè)網(wǎng)格，416 062個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，網(wǎng)格類型主要為C3D20（20節(jié)點(diǎn)六面體二次積分單元）、C3D10（10節(jié)點(diǎn)四面體二次積分單元）。

由于定子瓣是對(duì)稱模型，且兩種載荷形式（2點(diǎn)起吊和4點(diǎn)起吊）也是對(duì)稱的，只需對(duì)整個(gè)模型的一半進(jìn)行有限元分析，并在對(duì)稱截面添加對(duì)稱約束。

起吊過程是緩慢進(jìn)行的，假定起吊加速度為0，在定子瓣將要脫離還未脫離支撐臺(tái)時(shí)為吊繩受力最大時(shí)刻。在定子瓣與支撐臺(tái)之間的接觸部分添加固定約束，在吊具與吊繩的連接處施加拉力均布荷載。吊繩的拉力與定子瓣的重力組成平衡力系，具體示意圖如圖1、圖2所示。

由力系平衡條件可知：

已知吊繩的長(zhǎng)度為4 m，吊裝孔之間的直線距離為2.35 m，G1為25.01 kN，G2為38.51 kN，求得兩種工況下吊繩的拉力分別為：

2.5? ? 結(jié)果后處理

計(jì)算兩種工況荷載下定子瓣有限元結(jié)果的應(yīng)力云圖、變形云圖，得知工況一、二的定子支架驅(qū)動(dòng)端法蘭盤最大應(yīng)力分別為298.11 MPa、119.72 MPa，且整個(gè)定子支架法蘭盤應(yīng)力（變形）的最大值集中在法蘭端部，定位銷孔的變形最大，工況一相比工況二法蘭的變形量大很多，兩點(diǎn)吊運(yùn)是引起法蘭相應(yīng)位置定位銷孔變形的控制工況。

有限元結(jié)果還表明：法蘭上的所有通孔中，越靠近法蘭端部，其變形值越大，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的趨勢(shì)一致。在實(shí)際測(cè)量過程中，吊運(yùn)后三個(gè)孔的直徑相比于吊運(yùn)前絕大部分的變形量小于0.1 mm，因此推斷法蘭盤定位銷孔變形量過大的主要原因是吊運(yùn)過程中定子支架法蘭盤與支架連接處發(fā)生了塑性變形。

3? ? 減小定位銷孔變形的方法

孔位置度是指孔的軸線實(shí)際位置相對(duì)于參照對(duì)象的變動(dòng)范圍。由于定子支架法蘭定位銷孔的位置度要求為0.4 mm，而其他通孔的位置度要求為1 mm，因此這里主要分析吊運(yùn)過程對(duì)法蘭定位銷孔變形量的影響。

有限元分析中，銷孔軸線位置度d無法直接計(jì)算，這里假定孔的變形是線性分布的，孔的軸線處于在孔的最大變形處dmax和最小變形處dmin的中心，即有：

3.1? ? 連接板對(duì)銷孔位置度的影響

3.1.1? ? 連接板厚度對(duì)銷孔位置度的影響

吊具和定子支架法蘭吊裝孔之間需要用連接板進(jìn)行連接，在有限元分析時(shí)，建立了包含不同連接板厚度的各種三維模型，并保持連接板網(wǎng)格尺寸0.5 mm不變，分別計(jì)算了各種模型的銷孔變形值和定子支架法蘭的最大應(yīng)力。隨著連接板厚度的增加，定位銷孔的位置度偏差和支架法蘭的最大應(yīng)力均呈下降趨勢(shì)。連接板每增厚5 mm，銷孔位置度偏差降低0.01 mm左右，法蘭盤最大應(yīng)力降低17 MPa左右。

3.1.2? ? 連接板徑向?qū)挾葘?duì)銷孔位置度的影響

保持連接板厚度不變，使其徑向?qū)挾确较虻某叽缭黾?0 mm，用ANSYS Workbench分別計(jì)算了兩種不同寬度模型下定子支架定位銷孔及支架法蘭的應(yīng)力狀況。增加寬度后的連接板模型，其銷孔位置度偏差比未增加寬度的減小了14.56%，支架法蘭最大應(yīng)力值降低了5.43%。有限元結(jié)果表明：通過增加連接板的寬度，可以適當(dāng)降低銷孔位置度的偏差。

3.2? ? 長(zhǎng)螺桿對(duì)銷孔位置度的影響

保持其他模型不變，采用長(zhǎng)螺桿使吊具和連接板與上下法蘭盤固定在一起，用ANSYS Workbench分別計(jì)算了3種不同螺桿模型下定子支架定位銷孔及支架法蘭的應(yīng)力狀況。當(dāng)連接螺桿選用外徑20 mm的長(zhǎng)螺桿時(shí)，法蘭銷孔位置度偏差比短螺桿減小了34.47%，法蘭最大應(yīng)力值降低了21.76%。當(dāng)連接螺桿的外徑增加5 mm時(shí)，法蘭銷孔位置度偏差減小了11.85%，法蘭最大應(yīng)力值降低了5.60%。有限元結(jié)果表明：改用長(zhǎng)連接螺桿，可以顯著降低銷孔位置度的偏差和定子支架法蘭盤的應(yīng)力水平。

4? ? 結(jié)語

本文用有限元分析軟件粗略地模擬了定子瓣的變形過程，為吊裝工裝的改進(jìn)和優(yōu)化提供了一些數(shù)據(jù)參考，并為吊運(yùn)工裝的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了更準(zhǔn)確的數(shù)值分析結(jié)果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

收稿日期：2020-05-18

作者簡(jiǎn)介：劉清發(fā)（1985—），男，山東費(fèi)縣人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)。