850KW风力发电机组机舱底座有限元分析

崔慧娟 郑甲红

（1.咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.陕西科技大学 机电学院，陕西 西安 710021）

1 绪论

近几年来，风电在中国几乎以“大跃进”的速度飞速发展。 过去7年年平均增长速度达到56%。 至2008年底，全国风电装机已超过1 000 万千瓦。 其中，2008年新增风电装机400 多万千瓦，中国风电装机容量已位居世界第五位。我国的风力发电技术也有了较大的进步，以前国内的风电设备全部靠进口，在90年代后，引进国外先进的风力发电机组的总体设计和制造技术，并在消化、吸收的基础上进行优化、创新，其技术经济指标达到了设计指标，并具备了批量生产能力。

风力发电机机舱底座是风力发电机的主要结构件， 它是安装齿轮箱、发电机、偏航轴承等部件的重要结构件。对850KW 风力发电机机组中的独立底座进行分析， 独立底座通常是刚性铸件或焊接件，其上开设连接用的螺纹孔。底座承受来自叶轮的载荷及来自电机、齿轮箱和刹车的反作用载荷，因此它必须有足够的刚度，以保持部件的相对位置。

2 机舱底座建模及其有限元分析

用PRO/E 建立机舱底座简化模型， 然后导入ANSYS 软件中，接着定义单元属性，在ANSYS 中建立机舱底座的有限元模型，鉴于模型简单，所以选5 级精度进行自由网格划分。 从而机舱底座的有限元模型就建立好了。

图1 网格划分后的三维模型

考虑到机舱的实际工作状况，在舱底施加位移载荷。 对于力载荷的施加，把风叶和轮毂等效转化到轴承座位置上，也就是在主轴轴承座上施加一个等效的力和力矩。同时，轴承座和机舱连接处受到弯矩的作用，把增速箱重力、发电机的重力和弯矩分别施加到机舱底座模型相应的位置。 考虑到ANSYS 施加弯矩载荷比较特殊，采用等效力偶矩的方法加载求解。

（1）由CX56/850 知，发电机的质量为4 500kg，故机舱底座承受的来自于发电机的竖直向下的重力为：G1=m1g=7 000×10=70 000N。

（2）同理也可以求出机舱底座承受的来自于增速箱的竖直向下的重力为：G2=m2g=5 200×10=52 000N。

（3）叶片和轮毂的总重量:G3=m3g=（3m叶+m轮）×g=（9 000+3 850）×10=128 500N。

（4）机舱底座所受的竖直向下的合力为：F 合=G1+G2+G3=250 500N。

由于要施加的载荷中有力矩， 所以必须建立质量点然后通过耦合的方法进行有限元分析。 所以首先建立质量点，在模型上面的正中间建立一个关键点， 然后在关键点上再建立一个关键点，然后赋予它质量MASS21 的属性，再通过Mesh Tool 将这个关键点划分，即可产生一个质量点。

质量点建立好了后， 开始为耦合做准备。 先选择所耦合的面，然后选择面上的所有节点，同时也选择质量点，以便耦合时方便选择质量点。 然后选择Utility Menu:Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Rigid Region，先选择质量点，然后选择所选面上的所有的节点，然后进行耦合，耦合完成以后，就可以进行加载了。 将机舱底座所受的载荷加载在质量点上面， 定义重力加速度和边界约束，然后求解。

图2 施加约束条件后的模型

从求出的位移云图知，最大位移为0.008 93mm。 其中X 向最大位移为0.004 48mm，发生在最底端的支撑面上；Y 向最大位移为0.000 203mm， 发生左侧面的中间位置处；Z 向最大位移为0.008 56mm，发生在最左端处的位置。 各个方向上发生的位移都很小，并且下端面完全固定，所以从刚度分析情况，可以看到，机舱底座的刚度较好。

从机舱底座的应力分布云图可以看出， 机舱底座的大部分等效应力为5Mpa 以下， 最大应力值为4.01Mpa， 产生在下面2个底板的相接触处的靠左端面附近处。 而机舱底座所使用的材料为Q345B，其材料的抗压强度为（470-630）Mpa，取安全系数K=0.8，从而计算出σmax=4.01Mpa＜Kσb，从应力分析的角度看，材料抵抗破坏的能力还有非常大的潜力。 可以看出，此机舱底座设计趋于保守。 还可以对结构进一步分析，可通过结构优化来合理而又经济地使用材料来使机舱底座受的应力和位移变小， 从而增加机舱底座的使用寿命。

上面是机舱底座没有加筋的有限元分析的结果， 现在对加筋的机舱底座进行有限元分析，然后对比二者的区别。 由于方法和上面的没有加筋的是一样的，所以这里不再重复。 通过求解的结果分析，有加筋的机舱底座最大位移为0.007 89mm，发生在支撑面的最左边处，下端面完全固定。 所以从刚度分析情况，可以看到，机舱底座的刚度较好。 从应力分布云图可以看出，最大应力值为1.85Mpa， 产生在下面两个底板的相接触处靠左侧面处。由于机舱底座所使用的材料为Q345B， 其材料的抗压强度为（470-630）Mpa，取安全系数K=0.8，所以最大应力远小于抗压强度，所以安全系数较高。

3 结论

通过对ANSYS 软件的深入学习， 对850KW 风力发电机组机舱底座进行三位建模、载荷分析，运用ANSYS 有限元分析软件对其进行了静强度分析和模态分析。从没有加筋和加筋的最大变形量来看，二者变化，一个为0.00893mm，一个为0.007 89mm，都满足变形量要求，变形量都在微小的正常的变化范围内。 从应力方面来看，一个为4.01Mpa，一个为1.85Mpa，从应力对比计算的结果看，变化量还是很大的，为53.9%，说明加筋后机舱底座的应力大大减小，从而使材料耐用性大大增强，使用时间也变得更长，故综合考虑选择加筋的机舱底座较好。 在模态分析后发现，可能会产生某些局部振动，表明机舱底座局部刚度较低，组成机舱底座各部位结构存在刚度不均匀的现象， 机舱底座的动态特性一般。

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