兆瓦級風力發電機組輪轂強度數值分析

朱濤

摘要： 基于GL規范，采用有限元法對某兆瓦級風力發電機組輪轂進行極限強度分析.對輪轂SN曲線進行修正，分析疲勞計算需要考慮的載荷工況，使用GH Bladed軟件仿真得到疲勞計算所需的載荷時間序列.使用ANSYS/nCode軟件對輪轂進行疲勞壽命分析，結果表明輪轂的極限強度和疲勞強度均滿足設計規范的要求.分析結果可以為兆瓦級風力發電機組輪轂的結構設計提供參考.

關鍵詞： 風力發電機組； 輪轂； 極限強度； 疲勞； SN曲線； 有限元

中圖分類號： TM315文獻標志碼： B

Abstract： According to the GL standards， the finite element method is used to analyze the extreme strength of the hub of a MW class wind turbine generator system. The SN curve of the hub is modified and the fatigue load cases are analyzed for fatigue calculation， and the load time series for fatigue calculation are simulated by GH Bladed software. The fatigue life of the hub is calculated by ANSYS/nCode software， and the results show that both the extreme strength and fatigue strength of the hub can meet the design requirements. The analysis results can provide reference for the design of the hub of MW class wind turbine generator system.

Key words： wind turbine generator system； hub； extreme strength； fatigue； SN curve； finite element

0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市場上的主力機型.[1]輪轂是風力發電機組中非常重要的部件之一，其圓周均布3個法蘭與葉片連接，側端面法蘭與風力機機艙主軸相連.因為葉片承受的靜、動載荷直接傳遞到輪轂上，進而傳遞到整個風力機上去，所以輪轂的受力情況非常復雜，其設計的好壞直接影響到風力發電機組的正常運行和使用壽命.

輪轂的主要失效形式有2種：（1）在極限載荷工況下高應力區域發生塑性變形或產生裂紋；（2）在隨時間變化的動態隨機載荷作用下發生疲勞失效.為保證風電機組正常工作，需要分別對輪轂的極限強度和疲勞強度進行校核計算.

近年來，很多科研工作者和工程技術人員對風電機組關鍵結構件的設計和分析進行研究.高俊云等[2]對風力機疲勞載荷的來源和疲勞計算方法進行分析，介紹ANSYS/FESafe軟件的理論基礎和分析過程并對某1.5 MW風力機主軸的疲勞壽命進行計算.楊兆忠等[3]對焊接結構的機架應用差值外推法得到焊址處單位載荷作用下的應力，并根據GL規范對機架進行疲勞損傷判斷.現有的關于風電機組關鍵結構件疲勞強度的分析研究，大多采用等效常幅譜的簡化疲勞分析方法，如何玉林等[4]分析永磁直驅風電機組主機架的疲勞強度及何玉林等[5]和鄧良等[6]計算輪轂的疲勞強度.由于這種方法對實際載荷進行簡化，沒有考慮各載荷分量方向的變化，因此計算結果誤差較大.本文基于GL規范[7]首先對某MW級風力發電機組輪轂進行極限強度分析，接著在對輪轂材料SN曲線進行修正的基礎上，使用載荷時間序列及損傷累積方法，對輪轂進行疲勞壽命分析.

1輪轂的極限強度分析

某兆瓦級風力發電機組輪轂的三維實體模型見圖1.輪轂采用鑄件結構型式，材料為球墨鑄鐵ENGJS350，彈性模量E=1.69×1011 N/m2，泊松比μ=0.275，密度ρ=7 100 kg/m3，極限強度σb=350 MPa，屈服強度σs=200 MPa.

根據輪轂整體結構特性，建立有限元模型，見圖2.網格采用8節點六面體單元劃分，主軸（假體）端部約束，葉片根部中心點與變漿軸承（假體）端面MPC連接，在3個葉根中心點施加極限工況載荷.根據GL規范，風力發電機組關鍵結構件計算時所采用的載荷由設計時定義的運行工況確定.在確定極限強度分析所采用的工況時，需考慮5種設計狀況（見表1），對應葉片坐標系下葉根極限載荷工況共48種.對48種極限載荷工況進行分析計算（考慮重力載荷），得到每種工況下輪轂的最大應力和最大變形，見表2.

設計狀況載荷局部安全因數發電1.35發電與故障發生1.35正常關機1.35暫停（停止或空閑）1.10/1.35運輸、架設和維修1.10/1.50

輪轂最大應力和最大應變形出現在1My Min工況，即1號葉根受到局部坐標y向代數值最小力矩工況.該工況下，輪轂的應力云圖和變形云圖見圖3和4.最大von Mises等效應力σmax=88.31 MPa，最大變形1.406 mm.根據GB/T 18451.1—2012《風力發電機組設計要求》，關于極限強度分析的安全因數選取分為載荷局部安全因數、材料局部安全因數、失效后果局部安全因數.[8]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，失效后局部安全因數按二類構件要求取1.0，即安全因數按1.1×1.0=1.10考慮，其許用應力為181.82 MPa.輪轂最大應力沒有超過其許用應力，因此輪轂的極限強度滿足要求，在風力機運行過程中，不會出現塑性變形或破壞.

2輪轂的疲勞強度分析

工程實踐表明，疲勞失效是風力發電機輪轂的主要失效形式之一.根據GL規范，采用載荷時間序列和累積損傷方法對輪轂進行疲勞強度分析.此方法全面模擬設計壽命內的所有載荷工況，并且考慮各個載荷分量的方向變化及平均應力的影響，計算結果精確.

PalmgremMiner線性累積損傷理論是工程上估算變幅交變應力下機械結構疲勞強度廣泛采用的理論.該理論假定各級交變應力引起的疲勞損傷可以分別計算，再線性疊加得到總損傷.當累積損傷達到1時，即達到限制狀態，構件發生疲勞破壞，因此應保證在使用壽命周期內累積損傷小于1.[9]

使用ANSYS/nCode對輪轂進行疲勞壽命分析.該軟件采用先進的單軸、多軸計算方法，計算時可以全面考慮平均應力、表面粗糙度及表面加工性質等對疲勞壽命的影響，按照累積損傷理論和雨流計數法進行疲勞壽命分析.

輪轂材料為球墨鑄鐵ENGJS350，根據GL規范，一般應采用試驗和統計方法得到的原材料SN曲線作為基礎，但在無法進行疲勞試驗的情況下，可以根據材料的屈服強度、極限抗拉強度和彈性模量等參數擬合成一條近似的SN曲線.根據GL 2010《附錄5.B：合成材料SN曲線計算》中的論述來得到材料的SN曲線.

綜合考慮表面粗糙度（Rz=200 μm）、質量級別（Sd=0.85）、生存概率（SPu=2/3）以及安全因數等影響（根據GB/T 18451.1—2012《風力發電機組設計要求》，載荷局部安全因數取1.00，材料局部安全因數取1.10，失效后果局部安全因數按二類構件要求取1.15，即安全因數按1.1×1.15=1.265考慮），得到修正后的輪轂材料SN曲線見圖5.曲線拐點對應的應力方程Δσ×A=104.41 MPa，對應的循環次數ND=106.348 4，曲線斜率m1=7.972 1，m2=2m1-1=14.944 2.

計算輪轂在單位載荷作用下的應力時采用的有限元模型與極限強度分析時相同，疲勞計算所用載荷時序為3個葉根載荷的載荷時序，由GH Bladed軟件仿真得到.根據GL規范，疲勞計算需考慮以下載荷工況：（1）正常發電（DLC1.2）；（2）發電時故障發生（DLC2.4）；（3）機組啟動和正常關機（DLC3.1和DLC4.1）；（4）空轉（DLC6.4）.每個工況都含有18個分量（每個葉根6個分量）的載荷時間序列，將載荷時間序列調入軟件中并定義1 a內對應的發生次數，就可以得到1 a的載荷時間序列.將疲勞載荷時序與單位載荷下有限元應力計算結果相關聯，使用ANSYS/nCode軟件的多軸疲勞計算功能，進行疲勞壽命計算，采用的多軸疲勞損傷計算方法為臨界面法.[10]在某發電工況下，1號葉根局部坐標y向的力矩分量M1，y的載荷時間序列見圖6.采用上述方法，對輪轂進行疲勞計算，得到輪轂在所有工況下總的疲勞損傷結果見圖7.輪轂在疲勞載荷作用下，1 a時間內的最大損傷值為0.024 37，位于葉根與主軸中間區域.根據規范，風力發電機組關鍵零部件的使用壽命為20 a，輪轂20 a的損傷值D20=20×0.024 37=0.487 4<1.輪轂20 a的損傷小于1，說明在疲勞載荷作用下，輪轂不會發生疲勞破壞，可以滿足疲勞壽命的設計要求.

3結論

基于GL規范，采用有限元法對某兆瓦級風力發電機組輪轂的極限強度和疲勞強度進行分析研究，得到以下結論.（1）對輪轂進行極限強度分析，得到其在極限載荷工況下的變形和應力云圖.結果表明：輪轂的極限強度滿足要求，在風力機運行過程中不會出現塑性變形或破壞.（2）對輪轂進行疲勞壽命分析，合成材料SN曲線時，需要綜合考慮表面粗糙度、質量級別、生存概率以及安全因數等影響，對SN曲線進行修正，從而得到保守的計算結果.（3）疲勞強度分析的結果表明，輪轂20 a的損傷小于1，在疲勞載荷作用下，輪轂不會發生疲勞破壞，可以滿足疲勞壽命的設計要求.

本文分析可驗證輪轂設計的合理性，為輪轂的結構設計和優化提供參考和數據支持.參考文獻：

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