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輪轂是風(fēng)力機(jī)的重要部件，連接著葉片和主軸，其重要性隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增加而愈來愈明顯。現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)大都采用球形輪轂，輪轂主要承受對稱風(fēng)輪推力載荷、單葉片推力載荷和葉片重力力矩。因承受著復(fù)雜的交變載荷，且強(qiáng)度要求較高，現(xiàn)有輪轂常被設(shè)計得巨大而笨重，其在實際運(yùn)行中的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輪轂鑄件材料的許用應(yīng)力，增加了輪轂本身的轉(zhuǎn)動慣量，對機(jī)艙及塔架的強(qiáng)度要求都有所增加，為運(yùn)輸和安裝帶來很多不便，造成了材料的浪費(fèi)，增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本。
目前，許多研究者在減小輪轂重量與輪轂優(yōu)化設(shè)計方面做了一些研究工作。文獻(xiàn)采用相似原理和拓?fù)鋬?yōu)化的方法，借助有限元分析軟件Altair提供的OptiStruct模塊，開發(fā)出質(zhì)量較輕的新型輪轂?zāi)Ｐ停灰灿幸远鄥?shù)、輪轂壁厚分段優(yōu)化的方法進(jìn)行輪轂減重設(shè)計；文獻(xiàn)更是提出一種在輪轂主體上鉆孔的方法來減輕風(fēng)力機(jī)輪轂的質(zhì)量。
結(jié)合現(xiàn)有研究情況，本文以某1.5 MW三葉片水平軸直驅(qū)定漿風(fēng)力機(jī)的球型固定式輪轂為研究對象，擬采取整體同步等量減小輪轂厚度的方式，從輪轂外表面往內(nèi)表面的方向平均縮減壁厚，力求在滿足輪轂基本強(qiáng)度要求的情況下，找到相對理想的輪轂壁厚優(yōu)化值，盡最大可能減輕輪轂重量，減小材料使用，實現(xiàn)輪轂制造的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行安全性的統(tǒng)一。
不同的坐標(biāo)系通常可以用于定義不同的模型和邊界條件，選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系不僅能夠快速方便地建立有限元模型，而且便于邊界條件限制和載荷的施加，有效地提高計算效率。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對載荷的計算應(yīng)選擇合適的坐標(biāo)系，對輪轂的載荷進(jìn)行計算時應(yīng)選擇輪轂坐標(biāo)系，輪轂的載荷主要來自于風(fēng)力機(jī)的葉片，對葉片載荷的分析又需要建立葉片坐標(biāo)系。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂的極限載荷數(shù)據(jù)是依據(jù)國際電工委員會IEC 61400-1 (2005)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求指定的極限載荷工況，利用風(fēng)力機(jī)大型設(shè)計軟件GH BLADED計算得到。在極限工況中，50年一遇極限風(fēng)速取為70 m/s湍流強(qiáng)度定為A類，并分別依據(jù)公式確定極端風(fēng)向變化值、極端相干陣風(fēng)幅值及極端風(fēng)速切變等。另外，還需在BLADED中設(shè)置風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
建立風(fēng)力機(jī)葉片模型，取安全系數(shù)為1.2，計算葉根處極限載荷。輪轂靜態(tài)載荷檢驗所采用的極限載荷加載數(shù)據(jù)，載荷葉片坐標(biāo)系分別施加在3個葉片根部，其中FY，F(xiàn)Z，MY，M，Mz分別對應(yīng)于葉片坐標(biāo)系中的Fxa，F(xiàn)ra，F(xiàn)za，MXxa，MR，MAR。
輪轂強(qiáng)度分析包括三維幾何建模、有限元網(wǎng)格劃分、載荷施加及運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)力數(shù)值計算分析等。輪轂?zāi)Ｐ椭蟹顷P(guān)鍵部位對輪轂整體力學(xué)性能影響非常小，而引入這些細(xì)小特征會破壞網(wǎng)格質(zhì)量，甚至影響計算結(jié)果的精度；因此，建模時對輪轂上細(xì)小的特征進(jìn)行了相應(yīng)簡化。簡化的原則是在保證計算精度的前提下，省略非關(guān)鍵部位對輪轂整體剛度作用較小的一些特征，如小的倒圓和倒角等，以提高網(wǎng)格質(zhì)量精度和CPU的計算分析速度。輪轂所受到的載荷及約束是通過葉片和主軸傳遞的，若直接將載荷施加在輪轂上，會影響計算結(jié)果的可靠性，需要在輪轂上，引入葉片假體和主軸假體，輪轂與假體在ANSYS中設(shè)置為剛性連接。在有限元網(wǎng)格劃分中，采用網(wǎng)格自動生成法，由于模型的外形尺寸較大，設(shè)置網(wǎng)格總體尺寸為30 mm。對葉片假體施加載荷，對主軸假體施加全約束，施加載荷時以每個葉片的坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，分別施加6個交變載荷。經(jīng)計算得到輪轂最大應(yīng)力云圖。可知輪轂的最大應(yīng)力為102.09 MPa，且最大應(yīng)力處位于輪轂與主軸連接的邊緣。本輪轂采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵QT400-18作為輪轂材料。
輪轂的屈服極限220 MPa，根據(jù)CCS風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)范，取材料的一般局部安全系數(shù)y=1.1，則其許用應(yīng)力200 MPa，故輪轂最大應(yīng)力102.09 MPa，說明輪轂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。
輪轂最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于球墨鑄鐵的許用應(yīng)力200MPa，輪轂最大應(yīng)力只要在球墨鑄鐵許用應(yīng)力以內(nèi)，輪轂在運(yùn)行中就是安全的。
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