一種大型直驅永磁風力發電機定子瓣法蘭變形有限元分析

劉清發 馬愷

摘要：為解決大型直驅永磁風力發電機定子瓣法蘭定位銷孔位置度偏差過大問題，分析了定子瓣生產過程中涉及吊運的所有工序，用Solidworks建立定子瓣和吊具的簡化三維對稱模型，并導入ANSYS Workbench有限元分析軟件進行計算，求解了兩種極限吊運荷載下定子支架法蘭銷孔的變形和應力水平，確定了引起法蘭銷孔變形的主要控制工況。

關鍵詞：直驅永磁;定子瓣;定位銷孔位置度;有限元分析

1? ? 研究背景

風能作為一種重要的可再生能源，具有清潔、安全、無污染、儲量豐富的特點，因而受到世界各國的普遍重視。2010—2019年期間，我國風電規模實現高速增長，裝機容量占比不斷擴大，躍升為我國第三大電力來源。為控制定子瓣？準20法蘭定位銷孔的變形量，本文采用有限元法模擬了定子瓣吊運過程中相應位置處的變形情況，為吊運工裝的改進、優化提供了一些有限元仿真數據支撐。

2? ? 吊裝過程有限元分析

2.1? ? 受力分析

定子瓣生產過程涉及產品吊裝的過程有：入廠定子支架吊運至疊片區域、鐵芯總成吊運至嵌線作業區、定子瓣成品裝箱發貨等。

整個生產過程中存在兩點吊運和四點吊運兩種形式，有兩種極限的受力工況，其中兩點吊運的極限荷載為鐵芯總成重量，四點吊運的極限荷載為定子瓣成品重量。

2.2? ? 三維模型的簡化

將定子鐵芯三維模型導入ANSYS Workbench中有1 700多個Part，數量巨大且模型結構復雜，考慮到現有計算機的配置和計算結果的收斂性，有必要對三維模型進行簡化處理。求解的部分主要為上下法蘭的孔變形，主要對定子支架、線圈等形狀復雜且對求解結果影響不大的部分進行模型簡化處理。

2.3? ? 接觸設置

Ansys Workbench中提供了6種接觸類型[1]：Bonded、No Separation、Frictionless、Rough、Frictional、Forced Frictional Sliding。對定子瓣吊裝過程分析時，接觸類型為Bonded（綁定接觸）。

2.4? ? 網格劃分及邊界條件設置

為提高計算效率，采用局部網格細化的方式劃分網格。以連接板厚為25 mm的求解模型為例，吊具、定子法蘭、螺栓的網格尺寸設置為10 mm，連接板的網格尺寸設置為5 mm，法蘭盤上定位孔的尺寸為2 mm。共計260 181個網格，416 062個節點單元，網格類型主要為C3D20（20節點六面體二次積分單元）、C3D10（10節點四面體二次積分單元）。

由于定子瓣是對稱模型，且兩種載荷形式（2點起吊和4點起吊）也是對稱的，只需對整個模型的一半進行有限元分析，并在對稱截面添加對稱約束。

起吊過程是緩慢進行的，假定起吊加速度為0，在定子瓣將要脫離還未脫離支撐臺時為吊繩受力最大時刻。在定子瓣與支撐臺之間的接觸部分添加固定約束，在吊具與吊繩的連接處施加拉力均布荷載。吊繩的拉力與定子瓣的重力組成平衡力系，具體示意圖如圖1、圖2所示。

由力系平衡條件可知：

已知吊繩的長度為4 m，吊裝孔之間的直線距離為2.35 m，G1為25.01 kN，G2為38.51 kN，求得兩種工況下吊繩的拉力分別為：

2.5? ? 結果后處理

計算兩種工況荷載下定子瓣有限元結果的應力云圖、變形云圖，得知工況一、二的定子支架驅動端法蘭盤最大應力分別為298.11 MPa、119.72 MPa，且整個定子支架法蘭盤應力（變形）的最大值集中在法蘭端部，定位銷孔的變形最大，工況一相比工況二法蘭的變形量大很多，兩點吊運是引起法蘭相應位置定位銷孔變形的控制工況。

有限元結果還表明：法蘭上的所有通孔中，越靠近法蘭端部，其變形值越大，與實際測量結果的趨勢一致。在實際測量過程中，吊運后三個孔的直徑相比于吊運前絕大部分的變形量小于0.1 mm，因此推斷法蘭盤定位銷孔變形量過大的主要原因是吊運過程中定子支架法蘭盤與支架連接處發生了塑性變形。

3? ? 減小定位銷孔變形的方法

孔位置度是指孔的軸線實際位置相對于參照對象的變動范圍。由于定子支架法蘭定位銷孔的位置度要求為0.4 mm，而其他通孔的位置度要求為1 mm，因此這里主要分析吊運過程對法蘭定位銷孔變形量的影響。

有限元分析中，銷孔軸線位置度d無法直接計算，這里假定孔的變形是線性分布的，孔的軸線處于在孔的最大變形處dmax和最小變形處dmin的中心，即有：

3.1? ? 連接板對銷孔位置度的影響

3.1.1? ? 連接板厚度對銷孔位置度的影響

吊具和定子支架法蘭吊裝孔之間需要用連接板進行連接，在有限元分析時，建立了包含不同連接板厚度的各種三維模型，并保持連接板網格尺寸0.5 mm不變，分別計算了各種模型的銷孔變形值和定子支架法蘭的最大應力。隨著連接板厚度的增加，定位銷孔的位置度偏差和支架法蘭的最大應力均呈下降趨勢。連接板每增厚5 mm，銷孔位置度偏差降低0.01 mm左右，法蘭盤最大應力降低17 MPa左右。

3.1.2? ? 連接板徑向寬度對銷孔位置度的影響

保持連接板厚度不變，使其徑向寬度方向的尺寸增加10 mm，用ANSYS Workbench分別計算了兩種不同寬度模型下定子支架定位銷孔及支架法蘭的應力狀況。增加寬度后的連接板模型，其銷孔位置度偏差比未增加寬度的減小了14.56%，支架法蘭最大應力值降低了5.43%。有限元結果表明：通過增加連接板的寬度，可以適當降低銷孔位置度的偏差。

3.2? ? 長螺桿對銷孔位置度的影響

保持其他模型不變，采用長螺桿使吊具和連接板與上下法蘭盤固定在一起，用ANSYS Workbench分別計算了3種不同螺桿模型下定子支架定位銷孔及支架法蘭的應力狀況。當連接螺桿選用外徑20 mm的長螺桿時，法蘭銷孔位置度偏差比短螺桿減小了34.47%，法蘭最大應力值降低了21.76%。當連接螺桿的外徑增加5 mm時，法蘭銷孔位置度偏差減小了11.85%，法蘭最大應力值降低了5.60%。有限元結果表明：改用長連接螺桿，可以顯著降低銷孔位置度的偏差和定子支架法蘭盤的應力水平。

4? ? 結語

本文用有限元分析軟件粗略地模擬了定子瓣的變形過程，為吊裝工裝的改進和優化提供了一些數據參考，并為吊運工裝的設計和優化提供了更準確的數值分析結果。

[參考文獻]

[1] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

收稿日期：2020-05-18

作者簡介：劉清發（1985—），男，山東費縣人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：風力發電機。