基于ANSYS軟件的螺栓法蘭連接結構應力和疲勞分析*

□ 徐 靜 □ 薛欣瑋 □ 盧 健

西安工程大學 機電工程學院 西安 710048

1 研究背景

隨著全球大氣污染越來越嚴重，清潔環保的風能發電成為人們競相研究的熱點［1-2］。風力發電機組一般都安裝在風力資源較為充沛、自然環境較為惡劣的野外［3-4］，為了保證風力發電機在復雜的自然環境中能夠可靠運行，對連接塔架各筒身的螺栓法蘭連接結構進行應力分析及疲勞壽命評估是必不可少的工作［5］。

近20年來，國內外學者主要集中于對風力發電機連接塔架的標準碳鋼法蘭設計及墊片性能的研究［6-7］。螺栓法蘭在制造過程中，材料內部會存在一些缺陷，如氣孔、夾雜和裂紋等，這些缺陷會嚴重影響法蘭的使用壽命，如果法蘭和螺栓出現損傷，那么會影響整個風力發電機的性能［8］。因此，筆者對螺栓法蘭連接結構進行材料選擇，并利用ANSYS軟件對其進行應力及疲勞壽命分析，為結構設計和優化分析等后續研究工作提供理論依據。

2 螺栓法蘭連接結構及材料選擇

風力發電機塔架上的螺栓法蘭連接結構由上法蘭、下法蘭、墊片和螺栓組成，在這一結構中，螺栓與螺母緊固，用于連接上、下兩個法蘭，法蘭上分布著內、外側螺栓。

螺栓法蘭連接結構的主要失效形式是泄漏，因此重點是保證其密封性［9］。

螺栓法蘭連接結構的材料有很多，如碳鋼、合金鋼等，根據結構功能不同，選擇的材料也不同。作為風力發電機塔架上的螺栓法蘭連接結構，需要具有較高的靜力強度、沖擊韌性和疲勞極限［10-11］，因此筆者選擇35CrMoA合金鋼作為螺栓法蘭連接結構的整體材料，其材料性能見表1［12］。

表1 35CrMoA合金鋼材料性能

3 螺栓法蘭連接結構有限元模型

3.1 實體建模

根據螺栓法蘭連接結構的特點，在對實體進行模擬時進行了如下簡化處理：忽略螺栓墊片、螺紋細節及各種幾何倒角，將六角頭螺栓螺母簡化為圓形螺母，不考慮塔架和法蘭連接區域焊縫及其殘余應力的影響，并假設分析模型中所有的部件均無缺陷，質量分布均勻。

法蘭盤上內、外側均勻分布100個螺栓。上、下法蘭尺寸相同，內半徑為1 935 mm，外半徑為2 415 mm。法蘭盤上均布的孔直徑為30 mm。螺栓長度為340 mm，直徑為28 mm。螺母長度為20 mm，外徑為60 mm。

應用ANSYS軟件中的SOLID186體單元和MESH200面單元進行模擬，采用自下而上的建模方式，按照尺寸建立面后，由旋轉方式生成螺栓法蘭連接結構模型，如圖1所示 。

▲圖1 螺栓法蘭連接結構模型

3.2 網格劃分

ANSYS軟件中網格繪制有很多方法，如Map映射、Sweep掃掠和智能網格劃分等［13-17］。智能網格劃分有六個等級可以選擇，無論是何種幾何圖形，都可以通過智能網格直接繪制出來，但是繪制出來的網格是不規則或不均勻的，并且會有較大的計算量。因此，筆者采用Map映射及Sweep掃掠進行網格劃分。所分析的螺栓法蘭連接結構僅承受軸向載荷的作用，且法蘭滿足幾何對稱和載荷對稱，總共包含1 246 176個節點和314 796個單元。螺栓法蘭承受的預緊力為909 440 N，外部載荷為將65 000 N的力沿軸向方向分十次進行加載。在預緊承壓工況下，帶有內、外側螺栓的某節法蘭有限元模型如圖2所示，內、外側螺栓的模型如圖3所示。

▲圖2 法蘭有限元模型

▲圖3 內、外側螺栓有限元模型

4 結果分析

4.1 應力分析

在軸向載荷作用下，某節35CrMoA合金鋼螺栓法蘭結構的應力云圖如圖4所示。可見，當施加載荷時，法蘭應力沿軸向方向由下往上逐漸增大，上內側和上外側都出現了應力集中現象，內側出現應力最大值，并且法蘭發生了彎曲。

▲圖4 螺栓法蘭結構應力云圖

由于法蘭內側出現的應力最大，因此對內側螺栓進行應力分析，其應力云圖如圖5所示。可見，螺栓在承受軸向載荷時應力從螺栓桿中部向兩邊增大，與螺母下端連接處應力最大，出現應力集中現象。

▲圖5 內側螺栓應力云圖

4.2 數據分析

將法蘭上內側、外側的螺栓按順時針方向從1至100編號，應用ANSYS軟件計算出軸向載荷下內、外側各100個螺栓的應力大小擬合曲線，如圖6所示。可見，外側100個螺栓的應力數值呈軸向對稱，有應力最大值和最小值，螺栓受力不均勻。在實際工作中，應避免應力最大處的螺栓產生疲勞，發生危險。內側100個螺栓的應力數值也呈軸向對稱，有應力最大值和最小值，螺栓受力不均勻。外側1號和100號螺栓所產生的應力值大于內側1號和100號螺栓所產生的應力值，外側50號螺栓所產生的應力值小于內側50號螺栓所產生的應力值。

以1號螺栓為研究對象，圖7所示為在十次外力加載下，螺栓應力的擬合曲線變化趨勢：先呈線性變化，當載荷增大到一定程度后，應力突然增大，呈非線性變化。這是因為螺栓在經過一定次數和增大的外力加載后，其應力會隨疲勞的積累而發生突然增大。

▲圖6 外、內側螺栓應力擬合曲線

▲圖7 螺栓載荷與應力關系曲線

4.3 疲勞分析

疲勞破壞是結構件失效的主要原因之一，如不及時發現或準確預估結構件的疲勞壽命，可能會產生非常大的危害。根據疲勞曲線及Miner-Palmgren線性累積損傷準則［18-19］，考核筆者所分析的螺栓結構疲勞壽命是否符合使用條件。

在交變載荷作用下，疲勞損傷是可以線性累加的，各個應力之間相互獨立、互不相干。當累加的損傷達到某一數值時，試件或結構件就會發生疲勞破壞。在風力發電機20年的設計壽命中，螺栓結構不發生疲勞破壞應滿足的條件是［20］：

式中：D為各個螺栓的累計損傷度；ni為疲勞載荷譜第i級疲勞載荷的計算疲勞循環次數；Ni為第i級疲勞載荷的允許疲勞循環次數。

通過計算，得出各個螺栓的累計損傷度D遠小于1.0，即由筆者所選材料35CrMoA合金鋼制造的螺栓及法蘭的疲勞壽命都符合使用要求。

5 結論

筆者以內、外側含有100個螺栓孔的螺栓法蘭連接結構為研究對象，使用ANSYS有限元分析軟件，進行應力和疲勞分析，得出如下結論。

（1）選擇35CrMoA合金鋼作為風力發電機塔架轉接段螺栓法蘭連接的材料，具有較高的靜力強度、沖擊韌性和疲勞極限。

（2）通過ANSYS軟件進行螺栓法蘭連接結構的有限元分析，可以比較精確地掌握法蘭與各螺栓的受力情況，以及產生的應力大小，為螺栓法蘭連接結構的強度校核及優化設計提供可靠依據。由應力云圖可以看出，螺栓在安裝時一定要避免承受附加的彎曲載荷，在結構上保證載荷不偏心，在工藝上保證連接件、螺母和螺栓頭部的支撐面平整，并與螺栓軸線垂直［21-22］。

筆者所分析的螺栓法蘭連接結構符合使用要求，為今后螺栓法蘭連接結構的選材提供了理論依據。