兆瓦級風力發電機組主機架疲勞分析

摘要： 應用有限元法對某兆瓦級風力發電機組主機架進行極限強度分析.基于GL規范分析風力發電機組主機架疲勞計算需要考慮的載荷工況，并對主機架進行疲勞壽命分析.對計算結果進行校核評價，指出主機架結構易發生疲勞破壞的部位.分析結果可為兆瓦級風力發電機組主機架的結構設計提供參考.

關鍵詞： 風力發電機組； 主機架； 疲勞； 極限強度分析； 有限元

中圖分類號： TK83文獻標志碼： B

Abstract： The finite element method is used to analyze the ultimate strength of the mainframe of a megawatt wind turbine set. According to the GL standard， the load conditions for the fatigue calculation on the mainframe of wind turbine set is analyzed， and the fatigue life of the mainframe is analyzed. The calculation results are checked and evaluated and the dangerous fatigue parts of the mainframe structure are indicated. The analysis results can provide reference for the design of the mainframe of megawatt wind turbine set.

Key words： wind turbine generator set； main frame； fatigue； ultimate strength analysis； finite element

收稿日期： 2015[KG*9〗03[KG*9〗17修回日期： 2015[KG*9〗05[KG*9〗07

作者簡介： 李瑞斌（1977—），男，山西壽陽人，碩士，研究方向為計算機輔助分析，（Email）jszxcaelrb@tz.com.cn0引言

隨著風力發電機組向大功率方向發展，兆瓦級風力發電機組已成為目前市場上的主力機型.[1]主機架是風力發電機組中最關鍵也是承載最復雜的部件之一，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證風電機組正常穩定運行的關鍵，也是風力發電機組結構設計的重點和難點.[2]

主機架結構復雜：機架前部通過主軸與風輪輪轂連接，并支撐風力發電機組的傳動系統；機架底部與偏航軸承內圈連接，與偏航系統共同完成風機偏航功能.主機架承受來自風機自身零部件載荷和風輪傳遞的外部載荷，受力情況復雜.主機架常見的失效形式有2種：一是極限工況下在應力集中區域發生塑性變形或破壞；二是動態隨機載荷作用下發生疲勞失效.為保證風力發電機組正常工作，需要對主機架結構進行極限強度分析和疲勞分析.

近年來，國內外對風力發電機組的設計和分析開展許多研究.何玉林等[3]和路素銀等[4]利用非線性有限元分析軟件MARC對主機架結構進行靜強度、模態和疲勞壽命分析，并對結果進行校核評價.高俊云等[5]對風力發電機組的疲勞載荷來源和疲勞計算方法進行分析，并使用ANSYS/FESAFE軟件的多軸隨機疲勞計算功能，對某1.5 MW風力發電機組主軸疲勞壽命進行計算.現有的關于風力發電機組零部件疲勞壽命的研究，大都使用簡化的疲勞壽命分析方法，如鄧良等[6]和何玉林等[7]對輪轂的疲勞計算均采用等效常幅譜的簡化疲勞計算.這種方法對實際載荷進行簡化，未考慮各個載荷分量的方向變化，因此有較大的計算誤差.本文基于GL規范[8]，首先對某兆瓦級風力發電機組主機架進行極限強度分析，然后使用載荷時間序列和損傷累積方法，對主機架進行疲勞分析計算.

1主機架的極限強度分析

某兆瓦級風力發電機組的主機架系統的幾何模型見圖1，其主要結構包括主軸、軸承座、主機架和塔筒等.主機架所用的材料的屈服強度σs=345 MPa，彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 850 kg/m3.主機架的結構復雜，由于該模型用以校核主機架的整體靜強度，因此在不影響分析結果的前提下，對實體模型進行相應的簡化處理.將主機架與軸承座之間的連接螺栓簡化為黏合，并且建立塔筒假體，簡化一些較小的倒角.

在NX NASTRAN中對主機架模型進行網格劃分和邊界條件定義，見圖2.風力發電機的塔筒底部為固定端，故對有限元模型塔筒假體的底部進行全約束.在主機架相應位置施加發電機載荷、齒輪箱載荷和機艙罩載荷.采用MPC技術在輪轂中心位置施加極限工況載荷.根據GL規范，風力發電機組關鍵部件計算所采用的載荷由設計時定義的運行工況確定.在極限強度計算時，選取4種設計情況（見表1），共16種工況.通過計算，得到16種極限載荷工況下主機架的應力和變形云圖.其中，主機架最大應力值出現在y與z方向合成彎矩最大工況下，此時主機架的應力云圖和變形云圖見圖3和4.由此可知，主機架在該載荷工況下的最大von Mises等效應力σmax=143.06 MPa，位于前軸承座下方筋板的圓角處；最大變形為1.975 mm，位于主機架最前端.

根據GL規范，極限載荷工況分析中安全因數的選取分為載荷局部安全因數、材料局部安全因數和重要失效局部安全因數.本文載荷計算時已考慮載荷局部安全因數，材料局部安全因數取1.1，重要失效局部安全因數按三類構件要求取1.3，則綜合安全因數取1.1×1.3=1.43.主機架材料的屈服強度為345 MPa，其許用應力[σ]=345/1.43≈241 MPa.因此，主機架在極限載荷工況下的最大應力在材料的許用應力范圍之內，滿足強度要求.目前該規格的風力發電機已進行多臺生產，實際運行狀況良好.

2主機架的疲勞分析

主機架是典型的承受疲勞載荷的機械產品，其所承受的外部載荷主要是隨時間變化的動態隨機載荷.因此，疲勞破壞是主機架的主要失效形式之一.主機架主要的疲勞載荷來源有空氣動力載荷、葉片重力載荷和操作載荷等.

GL規范對金屬材料部件的疲勞分析指定3種方法：一是采用應力時間序列和損傷累積理論的分析方法，二是采用應力譜和損傷累積理論的分析方法，三是采用等效常域譜的簡化疲勞分析方法.第1種方法全面模擬設計壽命內的所有載荷工況，計算結果最精確，故本文使用第1種方法對主機架進行疲勞分析.

最常用的疲勞損傷累積理論是Palmgrem Miner線性累積損傷理論，其是估算交變應力幅下安全疲勞壽命的關鍵理論.該理論假定材料在各個應力水平下的疲勞損傷獨立進行，并且總損傷可以線性疊加.[9]當累積損傷超過1時達到限制狀態，所以在使用壽命期內需保證累積損傷小于1.

本文使用ANSYS/nCodeDesignLife軟件對主機架進行疲勞壽命分析，具體流程見圖5，其中的應力結果包含主機架在6個單位載荷作用下的有限元計算結果.風力發電機組主機架材料為Q345.根據GL規范，計算時一般采用通過試驗方法確定的原材料SN曲線作為基礎.在不能進行疲勞試驗的情況下，可根據材料的極限抗拉強度、屈服強度和彈性模量等參數合成一條近似的SN曲線.[10]風力發電機組在設計壽命20 a內主機架不能失效，規范要求疲勞分析時主機架材料的存活率達到PU=97.7%，所以SN曲線有限壽命區的參考應力幅ΔσA需乘以縮減因數Spu=2/3以反映材料存活率的增加.計算得到主機架材料的SN曲線見圖6.

疲勞載荷譜由GH Bladed軟件仿真得到.根據GL規范，疲勞計算時需要考慮以下載荷工況：1）正常發電；2）發電加故障發生（控制系統、安全系統、電力系統故障和脫網等）；3）機組啟動和正常關機；4）空轉.按照相關規范和標準對各種設計載荷工況進行仿真，可得到所有工況下的時域載荷譜，每個工況含6個載荷分量的載荷時間歷程.其中，某一發電工況下的載荷時間歷程見圖7.將每種工況的載荷時間歷程調入到nCode DesignLife軟件中，并定義1 a內對應的發生次數，從而得到時間為1 a的載荷譜.將疲勞載荷譜與單位載荷有限元計算結果相關聯.對兆瓦級風力發電機組主機架疲勞壽命進行計算，得到主機架在所有工況下總的疲勞損傷結果見圖8.由此可知：在疲勞載荷作用下，主機架1 a時間內的損傷值為0.012 3.根據GL規范，風力發電機組關鍵零部件的使用壽命為20 a，主機架20 a的損傷值D20=20×0.012 3=0.246<1，主機架20 a的損傷小于1，故在疲勞載荷作用下，主機架不會發生疲勞破壞，滿足疲勞壽命的設計要求.由圖8還可知：主機架最容易發生疲勞損傷，疲勞壽命較短的區域主要位于前軸承座下方筋板的圓角處和齒輪箱下方筋板的圓角處.若這些部位存在缺陷，如微觀裂紋、砂眼、銹蝕等，將極易造成主機架的疲勞破壞.

3結論

根據GL規范對某兆瓦級風力發電機組主機架進行極限強度分析和疲勞壽命分析，得出以下結論.

1）通過極限強度分析，得到主機架在極限載荷工況下的應力和變形云圖.結果表明：主機架在極限載荷工況下的最大應力在材料的許用應力范圍之內，滿足強度要求.

2）采用載荷時間序列和累積損傷方法，對主機架進行疲勞分析.結果表明：主機架20 a的累積損傷小于1，滿足疲勞壽命的設計要求.此外，通過疲勞損傷云圖可以發現，疲勞壽命較短的區域主要位于前軸承座下方筋板的圓角處和齒輪箱下方筋板的圓角處.因此，需要保證這些部位的制造質量，盡量排除微觀裂紋、砂眼、銹蝕等缺陷.

通過對兆瓦級風力發電機組主機架進行分析，驗證設計的合理性.此外，本文所使用的疲勞分析方法還可用于風力發電機組其他部件，如輪轂、主軸、塔筒等的疲勞分析.在設計階段進行疲勞分析和校核，可以為風電機組各部件的進一步優化和新型結構設計提供參考和借鑒.

參考文獻：

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