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隨著風電行業(yè)的發(fā)展，風力發(fā)電機組的功率等級在不斷加大，目前國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了2.5，3和5MW等大型風機。隨著風機功率等級加大，風機內(nèi)部的一些焊接零部件已經(jīng)被鑄件所替代。風力發(fā)電機組內(nèi)部關(guān)鍵的鑄造零件，包括軸承座、輪轂和機艙底座等。這些鑄造關(guān)鍵零部件的強度，直接關(guān)系到整個風力發(fā)電機組的質(zhì)量安全和使用壽命，所以要在設計過程中對它們進行有限元分析計算。風力發(fā)電機組內(nèi)部鑄件的分析計算，主要包括極限強度和疲勞壽命計算。
鑄件的極限強度計算采用有限元法進行。以輪轂為例介紹鑄件的極限強度計算。文中使用的三維軟件為Pro/E5.0，在建模前需要對輪轂的外部接口零部件和受力有一個總體的認識。與輪轂連接的主要零部件是變漿軸承、變漿驅(qū)動、葉片、楔形盤和主軸。在建立幾何模型的過程中，需對強度影響很小的特征，如小的倒角、凸臺等進行簡化。建立的幾何模型如圖所示。將幾何模型轉(zhuǎn)化為STP或其他中間格式的文件后，導入專業(yè)的有限元前處理軟件HyperWorks，對模型進行網(wǎng)格劃分，以建立分析所需的有限元模型。
為了便于載荷的施加，建立了葉片的假體，根據(jù)圣維南原理，葉片假體的長度保留大于葉根直徑的一倍，并且分別建立了主軸的假體和變槳軸承的假體。楔形盤位于葉片假體和變槳軸承之間，予以簡化，不建立假體。簡化掉葉片假體與變槳軸承假體、變槳軸承假體與輪轂、輪轂與主軸假體之間的螺栓連接，在有限元模型中通過設置Tie聯(lián)結(jié)來藕合各部件。為了建立約束邊界條件，在主軸后端面建立一個柱坐標系，柱坐標系的方向與GL規(guī)范中的輪轂坐標系x軸重合。在該柱坐標系下，約束主軸軸承段的徑向和軸向自由度，約束主軸尾端面的周向自由度。施加載荷和約束后的模型如圖所示。然后將有限元模型使用Abaqus進行計算，并使用其后處理模塊查看分析結(jié)果。
根據(jù)GL規(guī)范要求對計算的結(jié)果進行評估。對于機架的靜強度分析，根據(jù)GL規(guī)范5.3.2.1節(jié)，取安全系數(shù)為1.1。當安全裕度大于0時，機架將處于安全狀態(tài)。將葉片根部坐標系下48個極限工況計算得到的輪轂極限的應力值代入安全裕度公式，當其數(shù)值均大于0時表明其極限強度滿足要求。在某極限載荷工況下輪轂上的應力和位移云圖。對軸承座、機艙底座等鑄件的極限強度采用同樣的方法，但需要注意的是模型的建立、邊界條件的設定要和實際情況一致。軸承座和機艙底座根據(jù)GL規(guī)范，要選擇靜止輪轂坐標系下的16個極限載荷工況進行極限強度校核計算。
CAE疲勞分析的基本原理是：根據(jù)有限元分析中所獲得的應力應變結(jié)果，結(jié)合材料的疲勞壽命性能，應用疲勞理論，計算出零部件的疲勞壽命。所以對鑄件疲勞壽命的計算分為兩個部分，即單位載荷下鑄件的有限元應力分析計算和根據(jù)鑄件所承受載荷的疲勞載荷譜和單位載荷下應力值進行疲勞損傷值的雨流統(tǒng)計計算。對鑄件單位載荷下應力分析計算和鑄件極限強度分析計算不同的是：(1)在鑄件的表面鋪設一層很薄的殼單元，以便于表面應力結(jié)果值的提取；(2)將對應坐標系下的極限載荷改為單位載荷。
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