基于MSC.Patran風電機組主軸的有限元分析

摘 要：風電機組主軸承載著極其重要的載荷，為驗證主軸自身結構的合理性，以有限元分析軟件MSC.Patran作為分析平臺對其進行強度分析。分析結果表明：在各極限載荷工況下，主軸的最大應力值均小于材料的許用應力，滿足材料的強度要求，能夠達到最初的設計要求。

關鍵詞：風電機組 主軸 有限元分析

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0103-02

風電機組使用環境條件差，零部件所受的載荷變化多變，使得風電機及其零部件的使用壽命減少。尤其是風電機組的主軸，除自身重力外，還受風輪通過輪轂傳導過來的主扭矩及軸向推力，一旦發生失效，整個風機將不能工作，因此需對主軸進行極限強度校核。采用經典力學方法很難直觀地分析其受力狀況，本文采用有限元方法對遼河石油裝備制造總公司1.5 MW風電機組主軸分析。

3 約束與載荷

根據主軸安裝過程中的特點，通過輪轂幾何中心點建立錐形MPC將極限載荷施加在主控點，通過MPC剛性梁單元作用到輪轂假體上最后傳遞到主軸上，軸承內圈作為假體，內圈外環面上的節點與內圈中心節點用MPC剛性梁單元連接，在軸承中心點施加UX、UY和UZ位移約束，其目是要體現主軸與主軸承、脹緊套之間的裝配關系[4]。

4 主軸的有限元分析

根據所建立的有限元分析模型，并利用MSC.Patran作為分析平臺對主軸進行極限強度分析，得出主軸在極限載荷狀態下的位移值和應力值，部分工況主軸的有限元分析云圖如圖2、3所示。

風機主軸的材料是34CrNiMo6，材料安全系數取γm=1.2，屈服極限=745 MPa，其許用應力[]=/γm，從而得：[]=745/1.2=620.8 MPa，故主軸最大應力=526 MPa<[]，主軸最大應力沒有超過材料的許用應力，滿足強度要求，故此工況下具有足夠的強度。

5 結論

本文對風電機組中重要的主軸進行強度分析和校核，得出應力分布規律和應變分布云圖，最終安全余量約為1.2，通過此分析提高了本機型主軸結構設計的可靠性，也為其他機型同類產品的設計提供了一定的參考依據。

參考文獻

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[3] 馬愛軍，周傳月，王旭.Patran和Nastran有限元分析專業教程[M].北京：清華大學出版社，2005，1.

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