（机械工程专业论文）风力发电机组法兰连接系统结构分析研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 近年来，我国风力发电产业取得了快速发展，风力发电机组也逐步向大型化 方向发展，风电行业竞争日益激烈，这对我国风力发电机组系统的设计水平和制 造能力提出了更为高难的要求。为了降低风电机组的成本同时又能保证整个风机 零部件的安全可靠性，就需要运用新颖的、有效的设计方法和技术进行设计分析。 塔筒是风力发电机组重要的承载部件之一，而法兰连接系统又是连接主机架 和各段塔筒的重要部件，因此连接的可靠性和安全性对整个风电机组的正常运行 有着不可估量的作用。在风机运行过程中，风轮将吸收的风能转化为机械能并通 过主轴一部分传递给发电机，另外一部分通过主机架传递给塔顶法兰系统，进而 传递到塔筒上。法兰连接系统所承受的载荷是复杂多变的动载荷，在这些载荷作 用下，系统各个部件可能会发生屈服或者疲劳破坏，所以论文重点运用非线性接 触理论、强度理论和疲劳分析理论，以德国劳埃德船级社( g l ) 风力发的机组认 证规范为依据，对塔筒法兰连接系统结构的强度和疲劳寿命做了详细的研究。论 文的研究方法为风力发电机组塔筒法兰连接系统的设计与研发提供了技术参考， 具有工程实用价值。 论文完成的主要研究工作有： 偏航轴承在传递载荷过程中具有很强的非线性，因此以非线性接触有限 元分析理论为基础，根据塔顶法兰系统的结构和受载特点，用有限元法对极限工况 承载下的偏航轴承和塔顶法兰细节进行静强度分析。同时建立了两种有限元模型 分析了机架结构刚度对塔顶法兰各连接部件的强度影响。 根据疲劳累计损伤理论，建立塔顶法兰疲劳分析模型，应用有限元方法 计算塔顶法兰疲劳应力，运用雨流计数法仿真得到的疲劳载荷谱，通过对材料s n 曲线的修正，计算出塔顶法兰在设计工作年限的疲劳损伤。 法兰连接强度分析。运用p e t e r s e n 方法失效机制和有限元分析方法分别对 法兰螺栓连接强度进行了分析计算，并对两种算法结果进行对比分析，为法兰螺 栓连接校核提供了计算依据。 对法兰连接螺栓进行了疲劳分析。根据法兰高强度连接螺栓的受力特点， 运用基于p e t e r s e n 方法的s c h m i d t - n e u p e r 方法并结合p a l m g r e n m i n e r 线性累计损 伤理论来计算法兰连接螺栓在允许寿命内的疲劳损伤。 关键词：风力发电机组，法兰连接系统，螺栓，强度分析，疲劳分析 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a ct i nr e c e n ty e a r s ，t h ew i n de n e r g yi n d u s t r yo fc h i n ah a sa c h i e v e dr a p i dd e v e l o p m e n t a n dt h ew i n dt u r b i n eh a sat e n dt o w a r d st ot h ed i r e c t i o no fl a r g e - s c a l ed e v e l o p m e n t g r a d u a l l y w i n de n e r g yi sa ni n c r e a s i n g l yc o m p e t i t i v ei n d u s t r y , s oi th a sp r e s e n t e dm o r e d i f f i c u l tr e q u i r e m e n t sf o rt h el e v e lo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t i e so fc h i n a s w i n dt u r b i n es y s t e m i no r d e rt or e d u c et h ec o s to fw i n dt u r b i n e ，w h i l ee n s u r i n gt h e s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ee n t i r ew i n dt u r b i n ec o m p o n e n t sa n dp a r t s ，i ti sn e e d e dt ou s e i n n o v a t i v ea n de f f e c t i v ed e s i g nm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sf o rd e s i g na n d a n a l y s i s t h et o w e ri si m p o r t a n tl o a db e a r i n gp a r t so ft h ew i n dt u r b i n e a n dt h ef l a n g e c o n n e c t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tt oc o n n e c tt h em a i nf r a m ea n dt h et o w e r s ， s ot h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ec o n n e c t i o nh a sa ni m m e a s u r a b l ee f f e c tt ot h en o r m a l o p e r a t i o no ft h ee n t i r ew i n dt u r b i n e i nt h ep r o c e s so fw i n dt u r b i n er u n n i n g ，t h ew i n d e n e r g ya b s o r b e db yt h ew i n dt u r b i n ew i l lb et r a n s l a t e di n t om e c h a n i c a le n e r g y a n dt h e m e c h a n i c a le n e r g yw i l lb ep a r t l yt r a n s m i t t e dt ot h eg e n e r a t o rt h r o u g ht h em a i ns h a f t ， w h i l et h eo t h e rp a r ti st r a n s m i t t e dt ot h et o w e rf l a n g es y s t e mt h r o u g ht h em a i nf r a m e ， a n dt h e np a s s e dt ot h et o w e r t h el o a db e a r e db yf l a n g ec o n n e c t i o ns y s t e mi se o m p l e x a n dd y n a m i c t h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e mm a yo c c u rt oy i e l do rf a t i g u e f a i l u r ew i t ht h e s el o a d s s ot h et h e s i sm a i n l yf o c u so nt h eu s eo fn o n l i n e a rc o n t a c t t h e o r y , s t r e n g t ht h e o r y a n df a t i g u e a n a l y s i st h e o r y , a sw e l l a sa c c o r d i n gt ot h e g e r m a n i s c h e rl l o y dg u i d e l i n ef o rc e r t i f i c a t i o no fw i n dt u r b i n e ，i no r d e rt om a d ea d e t a i l e ds t u d yo nt h es t r e n g t ha n df a t i g u el i f eo ft h et o w e rf l a n g ec o n n e c t i o ns y s t e m s t r u c t u r e t h e s er e s e a r c hm e t h o d sw i l lp r o v i d es o m et e c h n i c a lr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n a n dr e s e a r c ho ft h ew i n dt u r b i n et o w e ra n df l a n g ec o n n e c t i o ns y s t e ma n da l s oh a v e p r a c t i c a lv a l u e i nt h et h e s i s ，t h em a j o rw o r ka n dt a s k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： y a wb e a r i n gh a sas t r o n gn o n l i n e a rf e a t u r ew h e ni tt r a n s f e r st h el o a d s o u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s e dt h es t a t i cs t r e n g t ho ft h ed e t a i l so ft h ey a w b e a r i n ga n dt o w e rf l a n g ew h e nt h e yw e r eb e a r i n ge x t r e m ec o n d i t i o n s ，b a s i n go nt h e n o n l i n e a rc o n t a c tf i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et o w e rf l a n g e s y s t e ms t r u c t u r ea n dl o a d w h i l et w of i n i t ee l e m e n tm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e di no r d e r t o a n a l y s eh o wt h ef r a m e sr i g i d i t ya f f e c t e dt h es t r e n g t ho ft h et o w e rf l a n g ec o n n e c t i o n p a r t s i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ( 爹1 1 1 ef a t i g u ea n a l y s i sm o d e lo ft h et o w e rf l a n g ew a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o t h ef a t i g u ec u m u l a t i v ed a m a g et h e o r y a n dt h ef a t i g u es t r e s s e so ft h et o pt o w e rf l a n g e w e r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e nt h ef a t i g u el o a ds p e c t r u m w a ss i m u l a t e db yu s i n gr a i n f l o wc o u n t i n gm e t h o da n dt h em a t e r i a ls - nc u r v ew a s r e v i s e dt h e r e b yc a l c u l a t i n gt h ef a t i g u ed a m a g eo f t o pf l a n g ei nt h ed e s i g nl i f e t h es t r e n g t ho ff l a n g ec o n n e c t i o nw a sd i s c u s s e d t h es t r e n g t ho ff l a n g eb o l t c o n n e c t i o nw a sc a l c u l a t e db yu s i n gf a i l u r em e c h a n i s m so fp e t e r s e nm e t h o da n df i n i t e e l e m e n tm e t h o dr e s p e c t i v e l y t h e nt h et w oa l g o r i t h m sr e s u l t sw e r ea n a l y z e d t h i sp a r t p r o v i d e ss o m ec a l c u l a t i n gr e f e r e n c ef o rt h ec h e c k i n go ft h ef l a n g eb o l t sc o n n e c t i o n f a t i g u ea n a l y s i s o ft h ef l a n g eb o l t sw e r e a n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i 曲s t r e n g t hb o l t s ，t h es c h m i d t - n e u p e rm e t h o dw h i c h w a sb a s e do nt h ep e t e r s e nm e t h o da n dc o m b i n e dw i t ht h ep a l m g r e n m i n e rl i n e a r c u m u l a t i v ed a m a g et h e o r yw a su s e dt oc a l c u l a t et h ef a t i g u ed a m a g eo ff l a n g eb o l t si n t h ea l l o w e d 】i f e t i m e k e yw o r d s ：w i n dt u r b m e ；f l a n g ec o n n e c t i o ns y s t e m ；b o l t ；s t r e n g t ha n a l y s i s ；f a t i g u e a n a l y s i s i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 在当今时代，能源和环境是人类生存和发展急需解决的紧迫问题。全世界的 能源消费量正处于快速增长的阶段。虽然包括中国在内的主要经济体正变得更加 注重节能，但是我们仍面临着未来能源来源的大问题。石油、天然气和煤炭等能 源都是有限的资源，随着时间的推移，它们的价格只会增长、总量只会减少。因 此世界各国都在探寻如何才能找到既满足人类能源消费的需求，又能够减少二氧 化碳等有害物质的排放量。由于工业革命以来人类对不可再生能源的大量开采以 及在能源利用过程中对环境的破坏等行为产生的一系列问题迫使人类在开发利用 常规能源的同时，必须更加注重可供我们使用的可再生的清洁能源，比如风能、 太阳能、生物能、水能和潮汐能等能源。积极发展可再生能源，以此增加能源供 应，对调整能源结构、缓解环境污染、保障能源安全、促进经济发展、建设和谐 社会都起到重要的作用 1 】。 风能作为一种清洁的可再生自然能源，在近年来受到了人们的广泛关注。而 风力发电作为一种新兴的能源产生方式更是受到世界各国政府、能源界和环保界 的高度重视，也是未来最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源。近年 来，各国对风能利用的研究，无论是理论方面还是实际应用方面都取得了重大进 步。风力发电技术日益完善，全球风电装机总量迅猛增长。从1 9 9 6 年起，全球累 计风电装机连续1 1 年增速超过2 0 ，平均增速达到2 8 3 5 。2 0 0 3 年以前的5 年 里，风电成本下降约2 0 ，是可再生能源技术中成本减低最快的技术之一。1 9 9 7 年至2 0 0 6 年，全球风电装机容量年平均增长率约为2 5 。至2 0 0 6 年底，全球风 电装机容量为7 4 2 2 万千瓦，其中欧洲占的比率高于5 0 。2 0 0 6 年全球风电新增装 机1 5 1 9 万千瓦【2 | 。2 0 1 1 年上半年，全球新增风电安装总量达到1 8 4 g w ，此时全 球风电的装机容量增长了9 3 ，世界风电总量因此达到2 1 5 g w ，以2 0 1 0 年年中 至2 0 1 1 年年中计算，其年增长率达到2 2 9 ，2 0 1 0 年同期的增长率则为2 3 6 。 世界风电市场在2 0 1 1 创立了新的记录，一年的总量达到了4 2 g w ，而在2 0 1 0 年是 3 7 6 g w 。通过世界风能协会收集的初始数据显示，世界总的风电装机容量已经达 到了2 3 9 g w ，足够满足世界3 的电量需求。在世界各国中，中国保持着一个较 强的风电增长速度，在2 0 1 1 年，中国新增风机安装容量达到1 8 g w ，历年安装总 量也达到了6 3 g w ，比全球风电容量的四分之一还要多。美国是拥有世界上第二大 新增风机容量的市场，达到了6 8 g w ，紧跟其后的是印度，达到2 7 g w ，德国2 g w ， 加拿大的风电发展也显现出强劲的增长迹象，新增风机安装容量也达到了1 3 g w 。 显而易见，风能利用在新兴市场例如中国、印度、巴西和墨西哥等国家正在以较 重庆大学硕士学位论文1 绪论 快的速度发展。而这恰好给风电市场未来更好的发展带了了机遇，因为这些新兴 国家确确实实需要一种非常经济，安全和及时的方式来满足自身快速对电力的需 求。2 0 1 1 年美国的风电市场比2 0 1 0 年增长了许多，然而中期的市场发展前景由于 缺乏政府的相关支持使得发展势头表现的还不是很明朗。在加拿大，由于它在国 际风能展中推行的绿色能源法令使得加拿大发现本国对新能源的迫切需求，安大 略省的风电增长表现最突出。风能不仅仅为人们提供电力，也潜移默化地促进经 济发展，改善能源供应的安全性，抑制烃类物质的价格波动，创造就业机会，减 少二氧化碳排放量。因此在许多国家，风力发电作为一种能源供应支柱已经成为 了一个国家低成本、低风险和无污染的能源选择，这些国家也因此能够创造出许 多新的产业和就业机会。其他国家应该从这些有经验的国家中学习并且建立正确 合理的相关政策来引进风力发电【3 4 j 。 1 1 风力发电国内外现状综述 1 1 1 国外技术现状 由于国外风电行业起步早，而且国外风电企业比较注重对风电核心技术的研 究【5 6 j ，使得国外的风电发电技术在近些年得到了突飞猛进的发展，从而带动了现 代风电机组向轻型、高效、高可靠性及其大型化方向发展，特别是欧美国家，其 在技术和装机规模方面一直走在世界前列。 德国的e n e r c o ng m b h 公司作为全球研制兆瓦级风力发电机的领先企业， 售出的风电机组具有高产能、运行维护成本低的特点，且质量保证十年。1 9 9 1 年， 公司开发了世界上首个无齿轮风能系统，1 9 9 3 年，开始大规模制造无齿轮风力发 电机，并制定了能源输出、可靠性和服务寿命等方面的新标准。该公司为了确保在 风电机组领域技术、质量和安全性的领先地位，叶轮等所有的主要构件都自行研 发、生产。2 0 0 7 年8 月，第一台试验用风电机组e 1 2 6 已经在o s t f r i e s l a n d 建立。该 风电机组采用的是无极变速，也就是说机舱中没有齿轮箱，有效的减少了磨损和 能量消耗，最大限度的增强了发电效率，开启了风电机组技术的新时代。除此之 外，运输和建设、整体优化、力学系统以及电子控制，甚至并网技术都采用了 e n e r c o n 最新的专利成果，该型号是风能资源丰富的小城市供电的最理想选择【_ 7 1 。 奥地利的w i n d t e c g m b h 公司在对完整的风电机组发电技术和电力应用方面做出了 深入的研究，该公司研发的风电机组包括了从6 0 0 k w 至8 m w 的陆上及海上风电 机组。w i n d t e c 在对风电机组塔筒结构分析方面采用的是以欧洲规范标准为设计依 据，而且以理论计算为主要设计方法，尤其在对塔筒结构的稳定性和焊接强度计 算研究上有独特的计算方法。1 9 8 4 年成立的英国公司g a r r a dh a s s a n 公司，是风能 独立咨询领域的权威代表，该公司在对塔筒结构强度及稳定性、法兰螺栓连接部 重庆大学硕士学位论文1 绪论 件的强度等方面分析计算上综合采用了理论计算和有限元计算相结合的方法，而 且还根据多年的风电项目研究经验，能够很好地检查所计算方法是否正确。s h i g e o y o s h i d a 研究开发了一种塔筒结构优化系统，通过改变塔筒尺寸和法兰在塔筒上的 连接位置从而达到减轻塔筒重量的目的，而且法兰连接的强度不会降低，再对优 化后的结构进行强度和疲劳寿命分析还可以更好的为风电机组的控制系统做出指 导h j 。c h e i s t e r m a n n 等人还提出了一种用摩擦连接塔筒来代替法兰连接的新型连 接方式，这种连接方式可以简化对结构的设计过程和优化设计，而且节省掉了法 兰的成本一j 。p e t e rs c h a u m a n n 等人研究了一种具有夹层结构的风机塔筒，这种新 型的混合塔筒结构是由内外表面的钢结构和中间的型芯材料共同组成的，通过运 用不同的复合材料理论、试样测试以及有限元分析得出极限工况下塔筒结构最佳 的材料组合。由于芯层结构的加入使得这种结构更稳定，并且不需要法兰螺栓的 连接，而是通过焊接方式或者一种新型的灌浆方式来连接，从而简化了结构，但 是却加大了安装技术难度【1 们。 1 1 2 国内技术现状 我国有利的地理位置使得我国的风能资源相当丰富，并且我国电力工业发展 速度比较快，但快速发展的同时受到了严重的环保因素制约，因此随着世界风电 产业的发展，以及国家对发展可再生能源的鼓励政策，作为当前最具市场竞争力 和商业化发展前景的可再生能源风力发电技术，近年来在我国得得了快速发展， 形成了从风电机组、配套零部件设计制造到风电场开发建设、运维服务等一条完 整的产业链。但是我国风电产业起步较晚，尽管风电技术水平不断提高，然而与 世界上发达国家的风电技术水平差距依然很大。目前我国对风能资源的勘探落后 于开发利用，多数商业化风力发电企业缺乏科学的可行性风场评估论证支持；由 于缺乏相关技术，风电和电网的连接和储能也出现问题；而且我国风电设备制造 水平较低，已经成为国际主流机型的兆瓦级组在我国尚处于研制阶段，远落后于 发达国家，我国对风电行业自主创新能力还很薄弱，缺乏基础研究的人才和经验， 总体上还处于引进和模仿国外的先进技术阶段，关键零部件也需要进口，从而使 风机生产成本受制于人，而且还会进一步加大我国对风力发电机组的研制水平与 国外的差距【1 1 1 2 】。风力发电作为能源行业中极具潜力的一个朝阳产业，必将在今 后成为解决全球能源危机的关键产业之一，因此对风力发电机组的自主开发设计 是至关重要的。近年来，在国家政策以及各级政府科研项目的支持下，经过企业、 高校和科研单位的共同努力，我国风电产业的技术水平已经有了大幅度的提高， 风电整机、叶片、齿轮箱和发电机等领域的产业规模和技术水平基本能够满足我 国市场的需要；但另一方面，在偏航轴承、变桨电机、主轴、电控系统和变流器 等一些关键零部件领域，技术和规模还远远不能满足我国风电产业发展的要求， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 特别是风电机组电控系统和变流器，目前仍主要依赖进口。风电产业链中关键零 部件技术的缺乏，也使得我国的风力发电发展受到了很大的影响。一方面，关键 零部件受制于人在一定程度上威胁着我国风电整机企业和风力发电产业的战略安 全；另一方面，大量的进口部件直接抬高了风电机组的造价，对国内风电产业的 整体效益和健康发展产生非常不利的影响 1 3 1 。 作为风电机组重要组成部分的塔筒和各个连接法兰，在风机运行过程中起着 重要的支承和承载作用。随着风电机组向大型化方向发展，塔筒的直径和高度尺 寸也越来越大，这就要求连接塔筒的法兰厚度和直径相应增加以满足承载要求， 这样便使得设计要求和制造成本越来越高。同济大学马人乐教授提出了一种新型 的塔筒连接形式反向平衡法兰连接，这种新型的法兰结构新颖、设计合理， 能显著节约材料，降低造价，法兰连接螺栓比原有厚型法兰更长，因而施加预紧力 相对容易控制精度，配备专用工具式千斤顶后可确保螺栓预紧力，并可达到螺栓 防松要求。这种法兰节点具有很好的抗弯刚度，能够承受设计荷载水平的1 5 倍以 上的极限承载能力，而且法兰节点范围内不易发生失稳和断裂现象，抗疲劳性能 得到了很大的提高，为风电机组塔筒国产化提供了很好的参考【1 4 5 1 。法兰与塔筒 是靠焊接工艺连接在一起的，刘作辉在对风电机组塔架原材料的力学性能、法兰 连接的使用工况及所受载荷综合分析的基础上，提出了拼焊法兰的制作方法，从 而为法兰制造提供了一种新的方法【l6 | 。曹宝刚等人运用法兰接头的参数化有限元 分析模型和法兰垫片受力时的非线性关系系统地研究了法兰连接参数对法兰接头 整体性和紧密性的影响，为法兰的优化设计提供了参考依据【l7 1 。孙世峰采用三维 有限元分析方法对承受外弯矩作用下的法兰连接问题进行数值仿真模拟，并且以 垫片所受应力为切入点，深入揭示了接头在外弯矩下所受的作用机理。而且在此 基础上对法兰进行了参数化研究与失效分析，最后提出了法兰在外弯矩作用下的 工程设计方法，对风力发电塔筒法兰螺栓连接设计与分析具有一定的参考价值 18 1 。 针对海上风机安装环境恶劣、操作控制困难，法兰与螺栓孔难以定位等问题，卢 飞平等人研究出基于模糊控制的离岸风机法兰无线遥控对中的控制方法，很好地 解决了安装难、布线难的难题，并且也为其他大型机构法兰螺栓孔对中提供了一 定参考19 1 。 1 2 本课题研究的意义与主要内容 1 , 2 1 课题的研究意义 随着国家对风力发电的愈加重视，我国在风电机组的研制上有了很大的进步。 面对越来越清晰的风电市场，我国的风电企业必须努力提高风电设备设计和制造 能力。由于中国企业设计的风电机组是参考欧洲设计标准设计的，这些标准都是 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 根据欧洲国家的环境制定的，因此有时这些标准与中国的特殊环境不相适应，所 以我国企业必须合理规划风电发展道路，根据自身情况改进并完善风电机组关键 零部件乃至整机的性能，从而从根本上降低风力发电的成本，提高企业产品的国 际市场竞争力。 风电机组作为大型部件，必须在生产制造之前即设计阶段就对其进行三维造 型和仿真分析，优化产品，从而缩短出产时期，避免重复生产和资源浪费，进而 研制出国产品牌风电设备。目前，在风电机组的设计阶段采用的是有限元仿真分 析技术，通过计算机软件可对整机和关键零部件进行多种情况下的仿真分析，通 过专业软件对模型进行载荷性能计算和疲劳计算等，从而更科学的判断设计的产 品是否符合各种标准和特殊条件。 随着风力发电产业的迅猛增长和风电机组的大型化，市场对风电塔筒机组的 需求量也愈来愈大，塔筒法兰作为风电塔筒关键连接件，它的重要性也越来越得 到重视【2 0 1 。 风电塔筒法兰是风电塔筒的关键连接件、支撑件和受力件，是风力发电设备 的重要部件，而且法兰要在野外可靠使用2 0 年以上，需要经受各种极恶劣天气和 复杂的风力交变载荷，随着风电机组向兆瓦级方向发展，塔筒法兰一般位于5 0 至 8 0 米的高度，在这样的高度处法兰要承受着拉伸、弯曲及剪切等作用力，以及其 他多种因素共同影响着法兰的使用寿命和工作状况，因此找出对塔筒法兰设计的 关键因素，并对这些因素进行具体的分析、合理的计算和校核，并结合实际情况 对结果进行分析讨论，从而保证计算结果的可靠与实用性 2 1 1 。论文以非线性接触 分析理论、静强度分析理论和疲劳分析理论为理论基础，分别研究分析了影响塔 架法兰设计的一些相关因素，并且通过接触有限元法研究了与法兰相连接的螺栓 和偏航轴承的特性。 1 2 2 论文的主要研究内容 论文以某大型水平轴风电机组塔筒法兰为分析对象，根据德国船级社风电机 组认证规范和欧洲规范的要求，综合运用有限元分析理论及计算方法对塔筒法兰 的静强度、疲劳寿命以及与之相关的偏航轴承和法兰连接螺栓的受力、疲劳寿命 进行了分析研究，主要内容如下： 以非线性接触有限元分析理论为基础，用有限元法对风电机组塔架偏航轴 承和塔顶法兰细节进行静强度分析。根据塔顶法兰系统的结构和受载特点，对其 静强度计算结果进行了详细评价。 基于p a l m g r e n m i n e r 线性累计损伤理论，建立塔顶法兰疲劳分析模型， 应用有限元方法计算塔顶法兰疲劳应力，根据雨流计数法仿真得到的疲劳载荷谱， 结合修正的s - n 曲线对塔顶法兰进行疲劳寿命分析。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 运用p e t e r s e n 方法失效机制和有限元分析方法分别对法兰螺栓连接强度 进行分析计算，并对两种算法结果进行对比分析，为法兰螺栓连接校核提供了计 算依据。 对法兰连接螺栓进行疲劳分析。根据法兰高强度连接螺栓的受力特点， 运用基于p e t e r s e n 方法的s c h m i d t - n e u p e r 方法并结合p a l m g r e n m i n e r 线性累计损 伤理论来计算法兰连接螺栓在设计寿命内的疲劳损伤。 重庆人学硕士学位论文 2 塔顶法兰系统非线性有限元分析 2 塔顶法兰系统非线性有限元分析 2 1 塔顶法兰分析系统概述 随着风电机组发电功率的增大，作为风电机组重要承重部件的塔筒的结构尺 寸也随之增大，高度已达到8 0 米左右。鉴于结构尺寸和重量如此之大的塔筒，为了 方便以后加工、运输和安装，在生产过程中是将其分成几段来生产成型的，各段 之间在安装阶段由法兰连接起来。法兰的连接强度直接影响着塔筒的整体强度与 稳定性，若法兰连接出现问题，整个塔筒在恶劣环境下很可能出现倒塌现象，因 此法兰连接在整个风电机组中起着至关重要的作用。与地基相连接的法兰是由地 基法兰与地基通过螺栓相连接，中间几段塔筒由上下两个法兰通过螺栓相连接， 而塔顶法兰由偏航轴承系统、刹车盘与法兰通过螺栓相连接。 在风电机组中，偏航轴承上方还安装有机架、轮毂、主轴、轴承座等零部件， 总重达到了1 0 0 多吨，在机组工作时，叶片转动吸收风能产生载荷，通过风轮传 递给主轴的载荷一部分传递给发电机发电，还有一部分通过机架传递给偏航轴承。 这些载荷包括机组运行及控制过程中产生的运行载荷和气流对机组上零部件产生 的气动载荷、振动和转动引起的惯性载荷、冰雪载荷和冲击载荷等。由于风向和 风力的不稳定性和不确定性，传递到偏航轴承的载荷是动态变化的，偏航轴承通 过非线性接触将载荷传递到刹车盘和塔顶法兰，从而实现力的传递。风电机组在 运行的过程中，风轮会随着风向的变化而发生转动，以便叶片回转平面最大程度 上地对准风的来流方向，在这个过程中风轮的变向便是通过偏航轴承的偏航来实 现的。当风电机组发生偏航使叶片回转平面与风的来流方向垂直时，叶片吸收的 风能是最多的，从而也将转化为最多的机械能。当控制系统发出偏航指令后，与 偏航轴承内圈或者外圈通过轮齿啮合的偏航驱动装置便带动整个机舱发生转动， 因为刹车器是和机舱底座连接在一起没有相对位移的，所以刹车器也将随机舱一 起转动，当风轮旋转到合适的对风位置时，刹车器接收启动控制指令对偏航运动 进行刹车，直到锁定偏航系统使其处于非偏航状态。在非偏航状态时，主机架通 过刹车器与刹车盘连接在一起，没有相对位移。由于风电机组处于偏航状态时， 系统传递的外载荷具有很大的不确定性，是动态变化的，因此论文针对非偏航状 态下风电机组关键零部件结构强度进行分析研究。偏航轴承和刹车盘通过螺栓与 法兰相连接，法兰另一端又与塔筒筒壁通过焊接方式连接，焊接部位的强度较其 他部位脆弱通常是容易失效的部位；而且法兰圆角由于很容易发生应力集中，也 是较易发生屈服与破坏的地方，因此为了保证风力发电机组运行的可靠性，很有 必要对塔筒顶部法兰连接系统进行结构强度分析和疲劳寿命分析。 重庆大学硕士学位论文2 塔顶法兰系统非线性有限元分析 2 2 偏航轴承的非线性接触分析 2 2 1 接触问题介绍 自然界中很多物理问题都涉及到接触现象。例如汽车轮胎与地面的相互作用， 齿轮之间的啮合以及机器轴承接触等。在分析和设计中，常常需要确定两个或多 个相互接触的位移、接触区域的大小和接触面上的应力分布情况。从力学角度分 析，力的传递总是通过物体的接触来实现的，接触是边界条件高度非线性的复杂 问题，通过接触作用，物体有可能发生损伤甚至破坏失效，因此在工程中需要准 确判断物体发生接触前后的运动和相互作用关系，同时包括正确模拟接触面之间 的摩擦行为和可能存在的接触间隙传热。对于塔顶法兰系统来说，当风电机组工 作时，叶轮为了吸收最多的风能需要偏向风力最大的风向以使机组产生最大的发 电量，因此风电机组多采用偏航系统作为对风装置以捕获风能，偏航系统由偏航 轴承、偏航电机、偏航刹车盘和控制系统等组成，大型风力发电机组偏航轴承多 数选取回转支承，偏航轴承内外圈的传力是通过滚子接触实现的，由偏航轴承传 递到法兰的力是通过面接触实现的，这些接触都是非线性的。 非线性问题可以分为三大类 2 2 ：第一类属于几何非线性问题，具体指结构的 位移大小影响结构对载荷的响应，如大位移和大转动、大应变、结构屈曲等情况； 第二类属于材料非线性分析，主要是由温度、弹塑性响应、蠕变等因素影响了材 料的应力和应变关系；第三类是接触边界上边界条件非线性分析，具体指结构和 状态相关的非线性行为，各种接触问题都属于此种非线性问题。 接触问题属于不定边界问题，即使是简单的弹性接触问题也具有非线性的特 点，其中既有由接触面积发生变化而产生的非线性和由接触压力分布的变化而产 生的非线性，也有由摩擦作用而产生的非线性。两个相接触的物体，随着所有载 荷大小的变化，不管是两者的接触面积还是接触压力的分布，都会随之发生变化。 若结构所受载荷增大，则法向接触压力分布呈现出非线性的变化，切向接触压力 分布因为摩擦力的存在也变得复杂。通常情况下，随着结构所受外载荷的变化， 若接触压力分布并h j , i - 载荷在接触过程中是一一对应的关系，则整个加载过程便是 简单可逆的非线性加载过程；若接触压力分布和所受外载荷不是一一对应的关系， 则加载过程是复杂不可逆的非线性加载过程，并且接触压力分布与加载的顺序有 关。一般来说，构件之间有摩擦的接触过程是不可逆复杂的加载过程，无摩擦的 接触过程是可逆而简单的加载过程。由于这种非线性和边界不定性，所以一般来 说，接触问题的求解是一个反复迭代的过程，要在求解过程中不断试取接触行为 的边界和表面状态的变化情况。若接触内力只与受载边界条件有关而与加载顺序 无关时，即使载荷和接触压力间是非线性的关系，这个加载过程依然属于简单可 逆的加载过程；当接触物体间出现摩擦时，便会出现复杂不可逆的加载过程，此 重庆大学硕士学位论文2 塔顶法兰系统非线性有限元分析 时用增量求解的方法求解。对于接触问题，除了需要满足力学基本方程和相应的 定解条件外，还必须满足接触面上的接触条件。接触条件主要包括两个方面：一 是接触体之间在接触面上的变形协调性，不可相互侵入即无穿透；二是摩擦条件。 对于接触或是将要接触的两个物体，其界面接触状态可以分为分离、黏结接触和 滑动接触。这三种情况下，接触界面的位移和力的条件是各不相同的，而实际的 接触状态又往往在此三种状态间相互转换，从而导致接触问题具有高度非线性的 特点。 2 2 2 求解接触问题的有限元数值分析方法 有限元法是解决复杂工程结构问题最有效的数值方法，广泛应用于流体力学、 断裂力学、热传导和弹塑性力学等领域，而且在求解接触问题上，它也是一种有 效的方法。随着计算机的快速发展，有限元法也在工程中的各个领域得到了深入 的发展和应用，遍及了航天工业、海洋船舶工业甚至核工业等领域，是现今机械 产品动态、静态和热力特性分析的重要方法。在今后有限元法还将在理论和计算 程序中不断完善和发展，为工程运用带来更多的方便。从数学角度来讲，有限元 法就是一种离散化的数值分析方法。离散后的单元和单元间只通过节点相联系， 结构所受的所有力和发生的位移都通过节点来进行计算。对于每个单元，选取合 适的插值函数以便该函数在子域内部和子域分界面上都满足一定的条件，通过把 所有单元的方程组合起来，便得到整个结构的方程；最后求解该方程，就得到了 结构的近似解。以有限元为基础的接触问题数值解法，主要可分为直接迭代法和 接触约束算法等。 直接迭代算法 迭代法是解决非线性问题的常用方法，它在接触问题的研究中也首先得到了 应用。在用迭代法求解时，首先假设初始接触状态形成系统刚度矩阵，每次迭代 过程中都施加全部荷载，求得位移和接触力后，根据接触条件来不断修改解除状 态，重新形成刚度矩阵求解，反复迭代直至收敛。 接触约束算法 接触约束算法是通过对接触约束边界条件适当处理，将约束优化问题转化为 无约束优化问题进行求解，根据优化方法的不同，主要可分为罚函数法、l a g r a n g e 乘子法和n e w t o n - r a p h s o n 法。 1 ) 罚函数法 罚函数法是一种施加接触约束的数值方法，实际上是将接触非线性问题转化 为材料非线性问题。其原理是一旦接触区域发生穿透，罚函数便夸大误差的影响， 大幅度提高系统的势能，从而使系统的求解( 满足力的平衡和位移的协调) 无法 正常实现。只有在约束条件满足之后，才能求解出有实际物理意义的结果。用罚 9 重庆大学硕士学位论文2 塔顶法兰系统非线性有限元分析 函数法施加接触约束的方法可类比成在物体间施加非线性弹簧所起的作用。改方 法的优点是不增加问题的自由度，数值上实施比较容易，可以和用显示数值积分 方法求解包含惯性项的接触问题时的求解方程相协调。由于系数矩阵保持正定， 在对静力接触分析问题求解时，可以避免由于系数矩阵的非正定性而可能出现的 麻烦，而且在显示动力分析中被广泛应用，但不足在于罚函数选择不当将对系统 的数值稳定性造成不良的影响。 采用罚函数法将接触面约束条件引入泛函，此时接触面约束条件对应的约束 项为 g = 吉l ( g 碡? 1 ) r 人。g 哺“订 ( 2 1 ) 式中： 人! = d i a g ( a 1 ，以：，c 3 ，) ，姝矗口；为罚函数，为设定常数。 于是 掰= i ，( 6 9 ) r 人g k “d l - ( 2 2 ) 对于无摩擦的接触状态，有口：_ 口：= 0 ； 对于有摩擦的滑动状态，根据库仑定律有 口1 2二丛牲2 ( 渊，2 ) 唧 ( 2 3 ) 2 ) 拉格朗日乘子法与增广拉格朗日乘子法 拉格朗日乘子法是通过引入拉格朗日乘子并施加接触体必须满足的非穿透约 束条件的带约束极值问题的一种描述方法。这种方法是把约束条件加在一个系统 中最完美的数学描述，该方法使系统的求解规模增大，而且在控制矩阵中出现了 零主元，即系统矩阵主对角线元素为零。这就需要在数值方案的贯彻中处理非正 定系统，这在数学上将发生困难，需要施加额外的操作才能保证计算精度，从而 使计算费用增加。另外，由于拉格朗日乘子与质量无关，导致这种由拉格朗日乘 子描述的接触算法不能用于显式动力撞击问题分析。 拉格朗日乘子技术经常用于采用特殊的界面单元描述接触的问题分析。该方 法限制了接触物体之间的相对运动量，并且需要预先知道接触发生的确切部位， 以便施加界面单元。这样的额外要求对于撞击、压力加工等通常事先并不知道准 确接触区所在的一类物理问题是难于满足的。 因此必须采用适当的方法来保证方程的顺利求解。由于罚函数法和拉格朗日 乘子法各自有优缺点，人们自然就想到了将两者联合使用，从而形成了各种增广 拉格朗日乘子法，其中最直接的一种方法是构造修正的势能泛函。 考虑到拉格朗日乘子的物理意义，可将用接触点对应的接触应力替代，通过 重庆大学硕士学位论文 2 塔顶法兰系统非线性有限元分析 迭代计算得到问题的正确解，在迭代过程中，接触应力作为已知量出现，这样既 吸收了罚函数的方法和拉格朗日乘子法的优点，又不增加系统的求解规模，而且 收敛速度也比较快。 3 ) n e w t o n r a p h s o n 方法 n e w t o n r a p h s o n 方法的求解过程在一般情况下具有良好的收敛性。在每次求 解前，该方法将估算出残差矢量，这个矢量是回复力( 对应于单元应力的载荷) 和所 加载荷的差值。然后使用非平衡载荷进行线性求解，且检查收敛性。如果不满足 收敛准则，就要重新估算非平衡载荷和修改刚度矩阵从而获得新解，然后持续这 种迭代过程直到问题收敛。 非线性接触算法的基本流程 在物体的受力运动过程中，相接触的两个物体的接触界面不仅区域大小是变 化的，而且可能发生相互滑动。产生接触的两个物体必须满足无穿透约束条件， 接触约束是一类特殊不连续的约束，因此对接触问题的分析方法必须能够判断接 触条件并应用或者解除接触约束。在载荷增量步开始时，计算机软件程序将对