5 MW风力发电机试验架的有限元分析

沈小宁，赵泽湘

（湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭 411101）

0 引言

在进行一项新产品的设计时，面对新的结构，新的载荷形式，我们往往会有以下疑问：零件的强度够不够？它会如何变形？它变形量有多大？能否在不影响性能的情况下用更少的材料等。这就需要我们对零件的应力进行校核计算。一般情况下，我们均采用传统机械强度公式进行校核计算，但是该方法村在一定的缺点，就是步骤多，有时候公式较为复杂，计算时间较长且容易出错，直观性不强，不能适应现代设计工作高效准确直观的要求。

随着现代计算机分析软件的飞速发展，我们在设计过程中对复杂结构或复杂工况下也逐步借助分析软件ANSYS有限元分析进行设计校核和优化设计。在这次5MW风力发电机试验架的设计中，我们采用了ANSYS软件对该试验架进行了受力分析。分析结果证明了该设计的可行性和经济性，取得了不错的效果，大大提高了设计效率和准确率。

1 5 MW风力发电机的试验原理

如图1所示，两台风力发电机的定子分别安装在试验架上面，中间用弹性联轴器将两台发电机对接，一台用作电动机，一台作为测试机进行试验。风力发电机重约130 T，吊上安装在试验架的法兰盘上。由于发电机的重力和它对试验架的一个转矩，会对试验架产生一个形变，如果形变过大，弹性柱销不好安装，而且在电机运转试验过程中，对柱销反复产生一个较大的折弯形变，造成柱销的断裂，影响试验结果。

2 有限元分析

2.1 模型说明

如图2所示，5 MW风力发电机试验架模型，试验架由法兰盘、支架、立柱、底板等构成，采用普通碳钢Q235进行焊接而成，总重约35 T。分别计算电机静止安装及运转时试验架的变形及应力情况。

2.2 约束条件

对试验架底板下14个调整垫铁的底面全约束，如图3示。

2.3 载荷加载

用耦合刚性区加载方式。静止时，在试验架法兰盘螺栓安装圆环面的中心点上施加130 T的集中力和1170000 N·m的力矩。分析电机运转时支撑台的变形，额外对试验架法兰盘螺栓安装圆环面的中心点施加2652777 N·m的转矩。

2.4 分析结果

2.4.1 电机静止安装时

支撑台及各部件变形如图4。

支撑台整体最大变形为5.57 mm，在试验架的最上方；试验架的应力图如图5。

支撑台整体最大应力为249 MPa，在支架连接电机法兰盘的下方，由于法兰盘的变形受到支架的约束，在局部应力集中位置存在塑性变形。

2.4.2 电机运转实验时

试验架整体最大变形为5.592 mm，在试验架最上方。试验架整体及部件应力情况如图6

试验架整体最大应力为276 MPa，在支架连接电机法兰盘的下方，由于法兰盘的变形受到支架的约束，在局部应力集中位置存在塑性变形。

3 结论

由以上数据可以看出，试验支架所受的最大应力在材料许用范围以内，形变量也是在弹性柱销的可调范围内，所以该设计完全符合工况要求。

从以上的应用实例我们可以看到，如采用传统公式进行计算，计算量比较大且效率不高，当多个部件叠加时，分析难度将还要加大，时间周期也很长，结果还不一定准确，并且还得不到直观的图示。采用ANSYS进行机械设计的力学分析，可方便快捷的进行机械零部件的应力及变形量分析，极大地提高了新产品设计工作的效率和准确性，是设计人员的一个非常有力的帮手。

[1] 闻邦椿. 机械设计手册5版. 北京: 机械工业出版社, 2012.

[2] Ansys非线性培训手册，ANSYS公司编制.

[3] 宋天霞. 有限元法. 武汉: 理工大学出版社,1987.