搜索ANSYS在風(fēng)電機(jī)組槳轂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2013-06-15 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)分析表明,地球上近地層的風(fēng)能總量約為13000億kW,由于風(fēng)能易于獲得并轉(zhuǎn)換,且分布廣泛、無污染而又能夠不斷再生,所以開發(fā)利用風(fēng)能可以很好的解決目前化石能源的危機(jī),為人類解決能源危機(jī)提供一條很好的辦法。某科技股份有限公司是研究、開發(fā)與生產(chǎn)制造大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的企業(yè)。在未來將實(shí)現(xiàn)600kW、750kW、1.2MW、1.5MW、2.5MW系列風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)銷售,提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)性能,降低整機(jī)成本,擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。開創(chuàng)具有國(guó)際先進(jìn)水平的中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)第一品牌。
該企業(yè)研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖,槳轂是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一個(gè)非常重要的部件,它是一個(gè)典型的“輪轂形”結(jié)構(gòu),圓周均布三個(gè)法蘭與葉片連接,側(cè)端面法蘭與風(fēng)力機(jī)機(jī)艙主軸相連。槳轂主要承受葉片的重力、離心力、剪切力和扭矩以及各種激振力和疲勞載荷。
因?yàn)樵陲L(fēng)電機(jī)組的槳轂葉片上所承受的復(fù)雜的靜、動(dòng)載荷會(huì)直接傳遞到輪轂上,進(jìn)而傳遞到整個(gè)風(fēng)力機(jī)上去,所以槳轂的受力情況非常復(fù)雜。槳轂設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行和使用壽命,因此它應(yīng)該具有強(qiáng)度高、可靠性強(qiáng)、疲勞壽命長(zhǎng)、吸振性好等性能。
風(fēng)電機(jī)組槳轂是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件,其結(jié)構(gòu)和受力變形復(fù)雜,利用經(jīng)典力學(xué)方法難以準(zhǔn)確分析和評(píng)估槳轂整體應(yīng)力分布以及最大應(yīng)力位置。需要采用大型通用的有限元分析軟件來解決此類結(jié)構(gòu)分析的難題。
利用ANSYS軟件對(duì)600kW風(fēng)電機(jī)組槳轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,該企業(yè)的計(jì)算結(jié)果與外方計(jì)算結(jié)果比較情況見表1。通過觀察應(yīng)力分布云圖和計(jì)算結(jié)果比較表可知:最大等效應(yīng)力值及其部位有良好的一致性。證明該模型的有限元網(wǎng)格剖分、邊界約束、載荷施加均是可靠的,可用于1.3MW和1.5MW風(fēng)電機(jī)組槳轂結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析與形狀尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。
600kW風(fēng)電機(jī)組槳轂網(wǎng)格模型、載荷情況應(yīng)力分布云圖
對(duì)1.3MW風(fēng)電機(jī)組槳轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,研究了風(fēng)電機(jī)組等截面厚度、槳轂重量和最大等效應(yīng)力隨厚度的變化情況。
1.3MW變截面厚度槳轂?zāi)Ｐ汀⒛齿d荷情況等效應(yīng)力分布云圖
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在1.3MW風(fēng)電機(jī)組槳轂優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中采用了變截面厚度方案。由于槳轂最大應(yīng)力位置在與主軸連接處的槳轂法蘭端根部,因此,可以通過增加該處槳轂法蘭端的厚度,同時(shí)減小另一端厚度的措施來改善槳轂的綜合特性。通過后續(xù)的驗(yàn)證計(jì)算表明1.3MW風(fēng)電機(jī)組槳轂采用變截面厚度設(shè)計(jì)方案是合理的,比等截面厚度設(shè)計(jì)更具優(yōu)越性。
1.5MW槳轂?zāi)齿d荷下等效應(yīng)力分布云圖
通過對(duì)1.3MW風(fēng)電機(jī)組槳轂分析比較,在1.5MW風(fēng)電機(jī)組槳轂設(shè)計(jì)時(shí),直接采用變截面設(shè)計(jì)方案,通過后續(xù)的驗(yàn)證計(jì)算表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的槳轂結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
通過對(duì)600kW風(fēng)電機(jī)組槳轂有限元分析,探索用ANSYS軟件分析槳轂結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的方法,為1.3MW和1.5MW風(fēng)電機(jī)組槳轂研發(fā)提供了可靠的手段。在風(fēng)電機(jī)組槳轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,采用變截面結(jié)構(gòu)后,可以減小槳轂設(shè)計(jì)重量,提高材料的有效利用率,降低加工難度和加工費(fèi)用。
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