850KW風力發電機組機艙底座有限元分析

崔慧娟 鄭甲紅

（1.咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.陜西科技大學 機電學院，陜西 西安 710021）

1 緒論

近幾年來，風電在中國幾乎以“大躍進”的速度飛速發展。 過去7年年平均增長速度達到56%。 至2008年底，全國風電裝機已超過1 000 萬千瓦。 其中，2008年新增風電裝機400 多萬千瓦，中國風電裝機容量已位居世界第五位。我國的風力發電技術也有了較大的進步，以前國內的風電設備全部靠進口，在90年代后，引進國外先進的風力發電機組的總體設計和制造技術，并在消化、吸收的基礎上進行優化、創新，其技術經濟指標達到了設計指標，并具備了批量生產能力。

風力發電機機艙底座是風力發電機的主要結構件， 它是安裝齒輪箱、發電機、偏航軸承等部件的重要結構件。對850KW 風力發電機機組中的獨立底座進行分析， 獨立底座通常是剛性鑄件或焊接件，其上開設連接用的螺紋孔。底座承受來自葉輪的載荷及來自電機、齒輪箱和剎車的反作用載荷，因此它必須有足夠的剛度，以保持部件的相對位置。

2 機艙底座建模及其有限元分析

用PRO/E 建立機艙底座簡化模型， 然后導入ANSYS 軟件中，接著定義單元屬性，在ANSYS 中建立機艙底座的有限元模型，鑒于模型簡單，所以選5 級精度進行自由網格劃分。 從而機艙底座的有限元模型就建立好了。

圖1 網格劃分后的三維模型

考慮到機艙的實際工作狀況，在艙底施加位移載荷。 對于力載荷的施加，把風葉和輪轂等效轉化到軸承座位置上，也就是在主軸軸承座上施加一個等效的力和力矩。同時，軸承座和機艙連接處受到彎矩的作用，把增速箱重力、發電機的重力和彎矩分別施加到機艙底座模型相應的位置。 考慮到ANSYS 施加彎矩載荷比較特殊，采用等效力偶矩的方法加載求解。

（1）由CX56/850 知，發電機的質量為4 500kg，故機艙底座承受的來自于發電機的豎直向下的重力為：G1=m1g=7 000×10=70 000N。

（2）同理也可以求出機艙底座承受的來自于增速箱的豎直向下的重力為：G2=m2g=5 200×10=52 000N。

（3）葉片和輪轂的總重量:G3=m3g=（3m葉+m輪）×g=（9 000+3 850）×10=128 500N。

（4）機艙底座所受的豎直向下的合力為：F 合=G1+G2+G3=250 500N。

由于要施加的載荷中有力矩， 所以必須建立質量點然后通過耦合的方法進行有限元分析。 所以首先建立質量點，在模型上面的正中間建立一個關鍵點， 然后在關鍵點上再建立一個關鍵點，然后賦予它質量MASS21 的屬性，再通過Mesh Tool 將這個關鍵點劃分，即可產生一個質量點。

質量點建立好了后， 開始為耦合做準備。 先選擇所耦合的面，然后選擇面上的所有節點，同時也選擇質量點，以便耦合時方便選擇質量點。 然后選擇Utility Menu:Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Rigid Region，先選擇質量點，然后選擇所選面上的所有的節點，然后進行耦合，耦合完成以后，就可以進行加載了。 將機艙底座所受的載荷加載在質量點上面， 定義重力加速度和邊界約束，然后求解。

圖2 施加約束條件后的模型

從求出的位移云圖知，最大位移為0.008 93mm。 其中X 向最大位移為0.004 48mm，發生在最底端的支撐面上；Y 向最大位移為0.000 203mm， 發生左側面的中間位置處；Z 向最大位移為0.008 56mm，發生在最左端處的位置。 各個方向上發生的位移都很小，并且下端面完全固定，所以從剛度分析情況，可以看到，機艙底座的剛度較好。

從機艙底座的應力分布云圖可以看出， 機艙底座的大部分等效應力為5Mpa 以下， 最大應力值為4.01Mpa， 產生在下面2個底板的相接觸處的靠左端面附近處。 而機艙底座所使用的材料為Q345B，其材料的抗壓強度為（470-630）Mpa，取安全系數K=0.8，從而計算出σmax=4.01Mpa＜Kσb，從應力分析的角度看，材料抵抗破壞的能力還有非常大的潛力。 可以看出，此機艙底座設計趨于保守。 還可以對結構進一步分析，可通過結構優化來合理而又經濟地使用材料來使機艙底座受的應力和位移變小， 從而增加機艙底座的使用壽命。

上面是機艙底座沒有加筋的有限元分析的結果， 現在對加筋的機艙底座進行有限元分析，然后對比二者的區別。 由于方法和上面的沒有加筋的是一樣的，所以這里不再重復。 通過求解的結果分析，有加筋的機艙底座最大位移為0.007 89mm，發生在支撐面的最左邊處，下端面完全固定。 所以從剛度分析情況，可以看到，機艙底座的剛度較好。 從應力分布云圖可以看出，最大應力值為1.85Mpa， 產生在下面兩個底板的相接觸處靠左側面處。由于機艙底座所使用的材料為Q345B， 其材料的抗壓強度為（470-630）Mpa，取安全系數K=0.8，所以最大應力遠小于抗壓強度，所以安全系數較高。

3 結論

通過對ANSYS 軟件的深入學習， 對850KW 風力發電機組機艙底座進行三位建模、載荷分析，運用ANSYS 有限元分析軟件對其進行了靜強度分析和模態分析。從沒有加筋和加筋的最大變形量來看，二者變化，一個為0.00893mm，一個為0.007 89mm，都滿足變形量要求，變形量都在微小的正常的變化范圍內。 從應力方面來看，一個為4.01Mpa，一個為1.85Mpa，從應力對比計算的結果看，變化量還是很大的，為53.9%，說明加筋后機艙底座的應力大大減小，從而使材料耐用性大大增強，使用時間也變得更長，故綜合考慮選擇加筋的機艙底座較好。 在模態分析后發現，可能會產生某些局部振動，表明機艙底座局部剛度較低，組成機艙底座各部位結構存在剛度不均勻的現象， 機艙底座的動態特性一般。

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