基于ANSYS Workbench的風(fēng)力發(fā)電機傳動軸靜態(tài)分析

韋洪新,王智森,吳 云

(景德鎮(zhèn)學(xué)院 機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

風(fēng)能作為無污染的可再生能源在社會發(fā)展中起著越來越重要的作用[1]。風(fēng)電同傳統(tǒng)的水電和火電相比在技術(shù)和成本上存在較大的差距，因而對風(fēng)電的研究需要國家大力支持。風(fēng)力發(fā)電機是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的主要設(shè)備，其性能好壞將影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率以及使用壽命[2-3]。風(fēng)力發(fā)電機的傳動軸帶動輪轂和齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機動力傳動的關(guān)鍵傳遞部位，傳動軸的性能直接影響風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)定性和使用壽命，傳動軸的研究對風(fēng)力發(fā)電機的整體設(shè)計具有十分重要的意義。

1 傳動軸輸入扭矩的計算

風(fēng)力發(fā)電機輸入扭矩等于電機的輸出扭矩(忽略傳遞損失)，即

(1)

式中:n為傳動軸的轉(zhuǎn)速；P為風(fēng)力發(fā)電機功率，P=1 550 kW。

葉片直徑為

(2)

式中：ρ為空氣密度，ρ= 1.29 kg/m3;V為設(shè)計風(fēng)速，V=12 m/s;P為風(fēng)機功率,P= 1 550 kW;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，Cp= 0.42[4]；η為風(fēng)機效率，η=η1η2= 0.81(η1為傳動時的效率，η2為發(fā)電機的效率)，代入式(2)可得風(fēng)力發(fā)電機葉片直徑D=87.34 m≈87 m。

在風(fēng)力發(fā)電機葉輪葉片設(shè)計時有一個重要參數(shù)——尖速比。它是葉片頂部(葉尖)轉(zhuǎn)動的線速度與風(fēng)速的比值。風(fēng)機轉(zhuǎn)速在正常范圍內(nèi)時，葉尖速比越大，風(fēng)力機效率越高。目前主流風(fēng)力發(fā)電機組大多屬于高速風(fēng)力機，葉尖速比都大于2，尤其是大型高速風(fēng)力機葉尖速比一般在 6～8，甚至更高。葉尖速比又影響葉片數(shù)的選取，關(guān)于葉尖速比與葉片個數(shù)的關(guān)系，如表1所示[5]。

表1 葉尖速比與葉片數(shù)的關(guān)系

設(shè)額定風(fēng)速為10.3 m/s，根據(jù)表1選取風(fēng)力發(fā)電機尖速比為7，葉片數(shù)為3，即葉片頂部旋轉(zhuǎn)的圓周線速度是72.1m/s，根據(jù)角速度與線速度關(guān)系可得式(3)，即

(3)

式中：v為線速度，v=72.1 m/s；R為半徑，R=43.5 m；代入上式可得傳動軸n=15.8 r/min。

將得到的轉(zhuǎn)速代入扭矩公式中，得到T=936.867 kN·m。

2 傳動軸的受力分析

為了減少不必要的受力分析，我們假定傳動軸受到的載荷均勻，忽略其摩擦力；此傳動軸受到扭矩，自身的重力，還有兩個軸承對傳動軸的支持力，受力如圖1所示。

圖1 傳動軸受力

由材料力學(xué)相關(guān)知識可知：

(4)

式中:T為扭矩，T=936.867 kN·m;R為外圓半徑，R=550 mm;D為外圓直徑，D=1 100 mm；α為內(nèi)外徑之比，α= 0.71。

代入式(4)得到τmax=274 MPa，傳動軸材料為34CrNiMo6，最大屈服強度為600 MPa，計算最大應(yīng)力為274 MPa遠遠小于材料最大屈服強度，故符合要求。

3 傳動軸的有限元分析

3.1 幾何模型的建立

ANSYS軟件在處理結(jié)構(gòu)力學(xué)等分析中具有強大的功能，但在幾何模型的構(gòu)建中相比于傳統(tǒng)的三維建模軟件較為繁瑣[6]。三維建模中常用的軟件有SolidWorks、UG、Pro E等，本文選擇UG軟件對風(fēng)力發(fā)電機傳動軸進行實體建模。在模型的構(gòu)建中，保證強度和剛度的同時，忽略了與分析影響不大的細節(jié)，如小的倒角等[7]。

3.2 材料屬性的設(shè)置

在做傳動軸有限元分析前需要建立傳動軸的三維模型以及對于傳動軸的基本受力分析，確保所建立的模型沒有干擾或不確定的區(qū)間，并使計算分析結(jié)果具有一定的準確性和可靠性，更符合實際情況。首先利用UG建立傳動軸的三維模型，建立后選中三維模型，在文件中導(dǎo)出選擇Parasoild文本文件即“.x_t”文件格式，然后將其導(dǎo)入ANSYS進行數(shù)據(jù)計算和分析。

點開ANSYS Workbench,將Transient Structural拖入到右側(cè)的空白處，首先進行自定義材料屬性設(shè)置。因要求傳動軸需要有良好的綜合力學(xué)性能，所以材料選擇34CrNiMo6，材料的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 傳動軸材料力學(xué)參數(shù)

將表2中的參數(shù)輸入到workbench參數(shù)設(shè)置界面中，具體設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 材料參數(shù)設(shè)置

將建立好的三維模型保存為.x_t格式，并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。再將導(dǎo)入的模型選擇剛添加的34CrNiMo6材料，如圖3所示。

圖3 選擇材料

3.3 網(wǎng)格劃分

在ANSYS Workbench軟件中，網(wǎng)格劃分的好壞對傳動軸的分析有重要影響，劃分的依據(jù)主要有3個因素：節(jié)點的設(shè)置、單元尺寸和單元形狀。自由網(wǎng)格劃分是自動化程度最高的劃分技術(shù)之一，它在面上可以生成四邊形或三角形網(wǎng)格，在體上生成四面體網(wǎng)格。一般情況下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技術(shù)來自動控制網(wǎng)格的疏密和大小分布，也可以進行人工設(shè)置網(wǎng)格，故本次在劃分技術(shù)中選擇自由網(wǎng)格，設(shè)置單元大小為5.0 mm生成網(wǎng)格，在槽處設(shè)置單元大小為2.5 mm。共有65 451個單元，113 532個節(jié)點。然后等待生成網(wǎng)格，其傳動軸的有限元模型如圖4所示。

圖4 傳動軸的有限元模型

之后對傳動軸模型施加載荷和約束時,應(yīng)當遵循實際情況去建立,才能保證計算結(jié)果更精確。根據(jù)情況施加載荷和約束：傳動軸與軸承接觸的表面，施加的是圓柱面約束；主軸鍵槽，施加一個向下的力；傳動軸表面施加載荷。這樣的約束和施加載荷方式是符合實際情況的，最后求解，得到傳動軸位移分布、應(yīng)變分布和應(yīng)力分布如圖5～7所示。

圖5 傳動軸位移分布云圖(單位：m)

從圖5可知最大變形為0.055 mm，從圖6和圖7中可以看出，主軸應(yīng)力最大值為274 MPa，34CrNiMo6材料的屈服強度應(yīng)力為 600 MPa，抗拉強度應(yīng)力為800 MPa，傳動軸的最大應(yīng)力遠遠小于材料的屈服極限應(yīng)力值，即使考慮應(yīng)力集中的情況，主軸強度依然滿足要求。

圖6 傳動軸應(yīng)變分布云圖

圖7 傳動軸應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

4 結(jié)語

ANSYS Workbench軟件是一款功能強大的有限元分析處理軟件,通過軟件對風(fēng)力發(fā)電機傳動軸進行結(jié)構(gòu)處理，模擬仿真。在不改變整體性能的前提下，對傳動軸的部分結(jié)構(gòu)進行簡化處理,最終求出位移和應(yīng)力應(yīng)變的大小。經(jīng)過分析可知，傳動軸危險截面發(fā)生在左端第一階梯軸處。在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)重點考慮此處的變形和位移，同時傳動軸的三維建模為后續(xù)其他計算分析,如模態(tài)學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計等提供很好的參考。