3MW双馈型风力发电机组主机架结构有限元分析

于双江 廖 晖 杨 静

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

3MW双馈型风力发电机组主机架结构有限元分析

于双江 廖 晖 杨 静

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

通过对有限元方法理论的研究， 采用 ANSYSW orkbench 对风力发电机组主机架进行强度分析， 考虑主轴系统对主机架强度的影响，用杆单元模拟主轴承滚动体，提高载荷的传递效果，机架应力分析结果满足强度要求，并在此基础上提供机架设计修改意见。根据疲劳分析理论，采用应力分析方法对铸造机架进行疲劳分析。为新型机架的结构设计提供了依据。

风力发电机组；主机架；有限元分析；强度；疲劳

0 引言

随着风力发电机组向大功率方向发展，兆瓦级风力发电机组已成为目前市场上的主力机型，风力发电机组主机架作为风力发电机组的重要组成部分，承受了风轮载荷及机架上各部件的载荷。随着风机功率的增大，主机架结构向复杂化、大型化的方向发展，作为关键部件，其强度、疲劳分析尤为重要，不仅可以校核结构，而且可以指导结构的设计和优化。

主机架结构复杂，其前部通过主轴与风轮轮毂连接，并支撑着风力发电机组的传动系统，机架底部与偏航轴承内圈连接，与偏航系统共同完成风机偏航功能。主机架承受来自风机自身零部件载荷及风轮传递的外部载荷，受力情况复杂，采用传统力学方法难以获得可靠的分析结果。本文采用有限元分析方法， 利用 ANSYSWorkbench对主机架进行强度分析， 并结合 Fe-safe 软件完成机架的疲劳分析。

1 风力发电机组主机架结构有限元模型

1.1 主机架结构有限元分析理论基础

主机架有限元分析的理论基础为有限单元法，它通过将复杂的模型离散化，形成有限数目的单元集合，在弹性力学基本方程的基础上建立各单元的线性方程组，联立求出满足工程精度要求的计算结果[1]。 有限单元法的基本求解过程如下。

有限元模型经过离散化，任意单元的位移可表示为：

代入模型的几何方程中可得单元结点位移表示的单元应变表达式：

由弹性力学中模型的物理方程， 代入式 （2），将得到单元结点位移列阵表示的单元应力表达式：

最后利用弹性体的虚功方程建立单元结点力阵与结点位移列阵之间的关系，即形成单元的刚度方程式：

其中， R｛ ｝e为单元结点力矩阵， k［ ］e为单元刚度矩阵。

用直接刚度法将单元刚度矩阵集成整体刚度矩阵，并将单元载荷列阵集成总体载荷列阵，形成总体结构的刚度方程：

结合模型的边界条件， 式（6）变成以结点位移为未知数的代数方程组。解此方程组可求出结点位移。 由 δ｛ ｝可得到 δ｛ ｝e， 代入式（3），可得到各单元的应力分量值。

1.2 机架参数及极限载荷工况

3MW 主机架不同于 1.5MW、 2MW 机型结构，为承受更大的载荷，达到更好的整体性能，机架采用前、后机架两部分连接的方式。两部分选用不同的材料和加工工艺，前机架采用球墨铸铁材料铸造成型，后机架采用低合金结构钢焊接成型。主机架在强度分析中采用整体模型导入计算，而疲劳寿命分析则因前后机架材料和工艺的不同，需分别采用不同的方法进行分析。

在主机架极限强度分析中，为方便有限元模型的建立和载荷、边界的施加，对模型进行适当简化，并在机架上建立零部件假体 （包括主轴、主轴轴承、轴承座、齿轮箱支撑、发电机支撑及偏航轴承内圈假体）。 主机架三维模型如图1所示。

图1 主机架三维几何模型

整个风机的极限载荷是根据GL规范中风况标准[2]，采用 Bladed 软件进行模拟运行得到。 机架所承受风载主要是由风轮经传动系统传递至机架的载荷，通过计算各极限工况载荷下机架的应力结果，分析机架的整体强度。

1.3 有限元分析模型

主机架及相关部件在 ANSYSWorkbench 12.0中进行网格划分，并对局部区域进行网格细化，采用的单元是 10 节点的 2次 4 面体实体单元（solid187）和 20 节点的 6 面体网格（solid186）， 整体单元数目约 67 万个， 采用 ANSYSFEmodeler[3]模块进行网格质量检查，有限元网格模型及质量检查如图2 所示 （单元主要分布在质量因子 0.6～1之间， 网格质量良好）。

图2 机架网格模型及网格质量检查

主轴轴承是传动系统中的重要部件，其模型简化方法将直接影响到机架分析结果，为保证载荷的正确传递，分析中改变仅采用圆环实体代替轴承的传统方法，新方法中采用保留轴承的内外圈模型， 使用 APDL 宏语言创建 LINK10 单元模拟轴承中的滚动体，更加真实地模拟风载从主轴传递至机架的效果。

LINK10 单元是 ANSYS 中三维杆单元， 具有双线性刚度矩阵特性，其轴向仅受拉或仅受压，这一特性与轴承滚动体实际受力情况 （仅受压力）相符， 可通过 LINK10 的属性 KEYPOT （3） 的设置来实现对滚动体的模拟。每个滚动体用3个LINK10 单元模拟， 轴承单元 LINK10 模型如图3所示。

图3 主轴轴承 LINK10 单元模型

2 主机架极限强度分析

2.1 边界条件及载荷施加

主机架在进行极限强度分析时，边界条件与风机的运行工况有关，具体工况下的边界施加方法如下。

（1） 极限工况

在塔筒顶部坐标系下[2]， 通过远程位移约束（Remote Displacement）约束偏航轴承内圈， 实现对机架 UX、 UY、 UZ、 ROTX、 ROTY 自由度的约束；用远程位移约束机架底部刹车器安装面，实现对机架 ROTZ 方向的自由度的约束； 第三个远程位移边界条件用来考虑由偏航驱动所产生的对主机架转动的约束， 约束节点UZ自由度外的其他自由度。 由于主轴采用 LINK10 单元， 需用远程位移约束控制主轴的旋转自由度。

（2） 风轮锁紧工况

此工况是机组在进行调试、维护、检修时，通过轴承座靠近风轮端座体内的风轮锁紧装置把整个传动系统固定锁死的工况， 边界条件与 （1）相同，仅载荷施加有所区别。

（3） 偏航刹车工况

此工况模拟最恶劣的情况：电网失电、液压站蓄能器损坏或偏航刹车器故障导致的刹车器不起作用，仅偏航驱动阻止机舱转动，边界条件去掉 （1） 中约束偏航驱动的远程位移约束， 在驱动上施加偏航扭矩。

主机架所考虑的载荷包括轮毂中心载荷和齿轮箱、发电机、变频柜、机舱罩壳的重力。根据GL规范中的要求， 考虑各重力载荷的局部安全系数。

轮毂中心载荷中 Fx、 Fy、 Fz、 My、 Mz分量通过远程力和力矩作用在主轴与轮毂连接端面，Mx分量在极限工况中是通过齿轮箱支撑座传递到机架，其作用点为齿轮箱重心，作用面为齿轮箱支撑面， 在锁紧工况中通过轴承座 （轮毂侧） 传递到前机架，作用面为轴承座支撑上表面。

主机架上各部件的重力通过远程力（Remote Force）作用在支撑平面上，作用点为各部件的重心，机架整体边界条件及载荷施加结果如图4所示。

图4 主机架极限工况边界条件及载荷的施加

2.2 极限强度结果分析

主机架整体极限强度分析主要考察的是机架在极限工况下的受力状况， 通过计算 16种极限工况得出了最大 Von-Mises 应力值。 图5 （a）、（b）分别为前机架、后机架的最大应力云图。

图5 前机架、后机架最大应力云图

前机架最大应力出现在轴承座与机架接触面边缘，但此处应力在很小范围区域急剧增大，分析此处单元因网格不协调而导致应力不准确，不考虑此应力集中位置，则前机架最大应力为170.52MPa， 位置在轴承座下方两垂直筋板间的凹槽处。 后机架最大应力为 130.65MPa， 位置为后机架中部垂直筋板的圆孔内缘。

安全裕度 Msult的计算方法：

σs是材料的屈服极限， n 为安全系数， 根据GL 规范[2]， 取安全系数 1.1。

根据机架材料的力学特性，计算前、后机架的安全裕度均大于0， 主机架满足强度要求。 其中前机架的安全裕度较小，可通过增大主轴下方U型凹槽两侧与轴承座连接处厚度 （图6 位置 1），使用厚度渐变方法增强最大应力处结构的强度。增大轴承座下方U型槽与垂直筋板间过渡圆角半径 （图6 位置 2）， 避免因表面急剧变化导致的应力集中。

图6 模型修改位置

模型修改后再次计算，与原有模型相比，局部应力有所降低，达到优化的目的，计算后模型应力云图如图7所示。

图7 模型修改后应力云图

3 机架疲劳分析

3.1 疲劳分析方法

主机架所承受的载荷复杂，属于高周多轴疲劳，疲劳破坏已经成为影响部件失效的重要因素之一[4]。 与整体钢板焊接机架不同， 3MW 新型机组的前机架采用铸造工艺完成，与焊接件的疲劳分析方法不同，本文主要分析前机架铸件分析方法。

疲劳分析方法是建立在疲劳累积损伤理论基础上的， 其中应用最为广泛的是 Palmgrem-Miner理论。此理论中假定材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的， 总损伤可以线性叠加[5]。 当总的累积损伤值达到1时，部件就达到了其极限状态， 所以在规定寿命内， 需保证损伤值小于1。对于高周多轴疲劳，通常采用应力疲劳分析方法。前机架使用 Fe-safe 软件进行疲劳分析， 疲劳分析具体流程见图8。

图8 前机架疲劳分析流程图

其中材料的疲劳特性曲线 （S-N 曲线） 对疲劳寿命分析的影响较大， 铸件球墨铸铁的 S-N 曲线根据 GL 规范[2]计算， 其中考虑了机架材料的屈服极限[6]、 表面粗糙度、 厚度、 应力比、 质量等级等因素。 球墨铸铁材料的 S-N 曲线如图9 所示。

图9 球墨铸铁材料的 S-N 曲线

在 Fe-safe 软件中， 单位载荷应力结果通过LDF 文件与疲劳载荷谱一一关联起来， 软件中采用雨流计数法处理疲劳载荷谱，通过平均应力修正后结合单元的应力结果进行疲劳寿命计算。

3.2 疲劳结果分析

Fe-safe 计算结果文件通过导入 ANSYS 进行疲劳结果分析， 前机架疲劳寿命云图如图10所示。

图中位置为疲劳寿命最小区域，结果显示方式为对数寿命值， 即最短寿命为 1.532， 含义是机架最小 寿命为 101.532=34.04 年。 对 应设 计寿 命 20

图10 前机架最小寿命区域及局部放大图

年的疲劳损伤值为 0.588＜1， 根据 GL 规范[2]， 疲劳损伤总和不得超出1， 故满足机架的疲劳要求。

4 结论

在有限元计算理论的基础上，采用新的轴承简化方法对 3MW 主机架结构进行强度、 疲劳分析。整体机架在极限工况下满足强度要求，并根据应力分布情况提出厚度渐变和增大圆角的改进意见，并根据分析结果对模型做出适当修改，降低了局部应力。采用疲劳应力分析法，联合使用ANSYSWorkbench 与 Fe-safe 软件对新型铸造机架进行疲劳分析， 得到最短寿命区域 （寿命值 34年）， 满足机架寿命的设计要求。

通过对 3MW风机主机架进行分析， 验证了设计的合理性，并提出了结构修改意见，为两种不同材料及加工工艺的新型主机架结构设计提供了依据。

[1] 徐芝纶. 弹性力学简明教程[M].北京： 高等教育出版社, 2010

[2]Germanischer Lloyd.Guideline for the Certification of W ind Turbines[S].2010

[3]ANSYS.ANSYSW orkbench 12.0 Documentation[DB]

[4] 岳勇.风力发电机组机械零部件抗疲劳设计方法的研究[D].乌鲁木齐： 新疆农业大学,2005:2-8

[5]M.K.Samal,B.K.Dutta,S.Guin,H.S.Kushwaha.A finite element program for on-line life assessment of critical plant components[J].Engineering Failure Analysis.2009,16 (1):85-111

[6] 张英云, 涂佑青. 金属材料手册[M]. 南昌: 江西科学技术出版社,1999

Finite Element Analysis for Main Frame of 3MW W ind Turbine

Yu Shuangjiang， Liao Hui， Yang Jing
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

Basing on the analysis of the finite element theory,the strength of main frame is analyzed by using the software of ANSYS Workbench.The link element is used to simulate the rolling element of the bearing.The stress results meet the requirements of the strength,the suggestions are proposed on the basis of the results.According to the results,the fatigue analysis on the cast frame is carried outby using stressmethod.The reference is proposed for the design of the new typemain frame.

wind turbine,main frame,finite element analysis,strength,fatigue

于双江 （1985-）， 男， 毕业于武汉大学机械设计及理论专业， 获工学硕士学位， 现从事风力发电机组的结构分析工作。