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有限元分析时对于轮毂边界条件的加载,传统方法只考虑到叶片根部的极限载荷,而本文中不仅考虑了叶片根部的极限载荷,还考虑了变桨驱动的重力对轮毂受力的影响,加载方法如下:
1)在每个叶片假体的叶根中心点处建立一个MPC点,通过RBE3多点约束将载荷传递到叶片假体上,进而传递到轮毂上,每个叶片建立局部坐标系,在每个叶片坐标系下,将各工况载荷中的F,Fz,Mz,M施加于MPC中心点上。
2)用梁单元模拟变桨电机齿轮,给梁单元赋予横截面积和转动惯量,在变桨电机局部坐标系下,将各工况载荷的M转化为变桨电机齿轮的周向力F、径向力F1和等效弯矩Mi施加于RBE3集中节点1上。节点2用Gap单元与变桨电机轴上端面节点联结,节点3,4通过RBE3与变桨电机轴的下端面节点联结,其中节点3独立于梁单元外,该处施加变桨驱动与齿轮箱的重力,如图所示。
由于实际涉及的工况比较多,现列出极限强度计算中使轮毂应力最大的一个工况的载荷。
表为叶片根部的极限载荷,表为转换到变桨电机处的载荷,其中M由叶根处弯矩Mz转换而来,变桨小齿轮的切向力与径向力由M按照标准直齿圆柱齿轮转换而来。如图所示,计算得到轮毂最大应力为64.66
MPa,出现在轮毂薄板安装变桨电机孔处,最大变形为2.165 mm。从结构分析来看,轮毂薄板处厚度比较薄,而且变桨小齿轮承受着叶根处传递过来的自锁力和变桨力,此自锁力和变桨力分布在变桨电机安装孔周围,所以变桨电机孔处为危险部位,最大应力应该出现在变桨电机安装孔处。通过对正在运行中的风力机组轮毂部件进行检修发现,出现问题最多且最严重的地方正是变桨电机安装孔位置,说明该位置所受应力最大。因此,此方法计算的轮毂应力分布与真实情况比较吻合。
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