兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法与流程

本发明涉及风电叶片制造技术领域，特别涉及一种兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法。

背景技术：

风力发电机组中使用高强螺栓作为叶片根部连接部件，具体类型式分为T型螺栓连接和根部预埋螺栓套连接。其中T型螺栓连接采用在叶根径向钻孔并设置圆柱形螺母的方式进行装配，该方式因为具有较高的生产效率及良好的质量可控性而被广泛使用。但随着风电行业的发展，风电叶片也朝着更大、更长的方向发展，相应叶根载荷提高，T型螺栓连接型式将越来越无法满足叶根连接强度要求。根部预埋螺栓套的型式相较T型螺栓连接型式可以满足更高数量的根部螺栓设计，从而满足叶根的高载荷要求。

目前，国内使用的预埋螺栓套设计技术多为国外技术，采用国外技术成本较高，因此亟待出现一种预埋螺栓套设计方法。

技术实现要素：

本发明提出一种兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法，解决了现有技术中兆瓦级风电叶片预埋螺栓套建模成本较高的问题。

本发明的一种兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法，包括步骤：

S1：接收预埋螺栓套初始的技术参数，利用所述初始的技术参数建立所述预埋螺栓套的模型，所述技术参数包括：圆弧形外牙型的半径r、相邻两个圆弧形外牙型之间的间距x及圆弧对应圆心到预埋螺栓套外表面的距离y；

S2：根据若干组r、x和y，对所述模型进行有限元分析，得出每组r、x和y相应的σ_n(θ)、τ_nt(θ)和τ_n1(θ)，σ_n(θ)为纤维断裂斜面上主应力、τ_nt(θ)为纤维断裂斜面上，垂直于纤维方向的剪切应力、τ_n1(θ)为纤维断裂斜面上，平行于纤维方向的剪切应力；

S3：根据若干组σ_n(θ)、τ_nt(θ)和τ_n1(θ)计算牙间环向纤维失效因子，将计算结果小于1的牙间环向纤维失效因子对应的r、x和y作为目标参数组合存入目标集合中；

S4：从目标集合中选出牙间环向纤维失效因子最小值对应的一组r、x和y作为预埋螺栓套最终模型的技术参数输出。

其中，所述步骤S3中采用如下公式计算所述牙间环向纤维失效因子：

其中，θ为纤维失效断裂角度；ψ为纤维断裂斜面上，垂直于纤维方向的剪切应力与断裂斜面合剪切力之间的夹角；f_E(θ)为牙间环向纤维失效因子；为垂直于纤维方向的横向拉伸强度；为失效平面上失效抗力；为垂直于断裂斜面合剪切力方向的横向拉伸强度倾角参数；σ_n(θ)为纤维断裂斜面上主应力；τ_nt(θ)为纤维断裂斜面上，垂直于纤维方向的剪切应力；为抵抗横-向剪切应力所在的作用面失效的抗裂强度；τ_n1(θ)为纤维断裂斜面上，平行于纤维方向的剪切应力；为抵抗纵向剪切应力所在的作用面失效的抗裂强度；为垂直于断裂斜面合剪切力方向的横向压缩强度倾角参数；为垂直于断裂斜面合剪切力方向的倾角参数；为断裂斜面合剪切力方向的横向剪切强度倾角参数；为断裂斜面合剪切力方向的纵向剪切强度倾角参数；为横向压缩强度倾角参数。

本发明的兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法通过多组r、x和y计算牙间环向纤维失效因子，以牙间环向纤维失效因子最小值对应的一组r、x和y作为预埋螺栓套最终模型的技术参数输出，从而实现了一种低成本的兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法流程图；

图2为叶根预埋螺栓套及安装螺栓后的模型示意图；

图3为图2沿A-A向的结构示意图；

图4为预埋螺栓套的r、x和y参数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法如图1和2所示，包括：

步骤S1，接收预埋螺栓套初始的技术参数，利用所述初始的技术参数建立所述预埋螺栓套的初始模型，所述技术参数包括：圆弧形外牙型的半径r、相邻两个圆弧形外牙型之间的间距x及圆弧对应圆心到预埋螺栓套外表面的距离y。由于叶片叶根为圆柱段，同时叶根径向孔均匀分布，可在ANSYS中建立轴对称模型，先建立预埋螺栓套筒，然后建立树脂界面层，再建立环向UD纱线以及UD拉挤块，最后再建立拉伸螺栓。具体地，采用APDL语言进行ANSYS参数化建模，建立模型参数如下表所示：

步骤S2：根据若干组r、x和y，对所述模型进行有限元分析，得出每组r、x和y相应的σ_n(θ)、τ_nt(θ)和τ_n1(θ)。叶片(叶根)采用纤维材料制成，其中，σ_n(θ)为纤维断裂斜面上主应力、τ_nt(θ)为纤维断裂斜面上，垂直于纤维方向的剪切应力、τ_n1(θ)为纤维断裂斜面上，平行于纤维方向的剪切应力，即模拟叶片安装好后，叶根的受力情况，具体地，采用ANSYS的有限元分析方法可得到上述受力函数值，每一次有限元分析根据图2和图3的模型模拟叶片叶根断裂的情形及上述关于断裂时角度，在根据物理受力模型分析出在该角度时的上述各个受力函数值，即得到一组r、x和y对应的σ_n(θ)、τ_nt(θ)和τ_n1(θ)。

步骤S3，根据若干组σ_n(θ)、τ_nt(θ)和τ_n1(θ)计算牙间环向纤维失效因子，将计算结果小于1的牙间环向纤维失效因子对应的r、x和y作为目标参数组合存入目标集合中。

步骤S4，从目标集合中选出牙间环向纤维失效因子最小值对应的一组r、x和y作为预埋螺栓套最终模型的技术参数输出。

其中，所述步骤S3中采用如下公式(4.1)计算所述牙间环向纤维失效因子：

其中，θ为纤维失效断裂角度；ψ为纤维断裂斜面上，垂直于纤维方向的剪切应力与断裂斜面合剪切力之间的夹角；f_E(θ)为牙间环向纤维失效因子；为垂直于纤维方向的横向拉伸强度；为失效平面上失效抗力；为垂直于断裂斜面合剪切力方向的横向拉伸强度倾角参数；σ_n(θ)为纤维断裂斜面上主应力；τ_nt(θ)为纤维断裂斜面上，垂直于纤维方向的剪切应力；为抵抗横向剪切应力所在的作用面失效的抗裂强度；τ_n1(θ)为纤维断裂斜面上，平行于纤维方向的剪切应力；为抵抗纵向剪切应力所在的作用面失效的抗裂强度；为垂直于断裂斜面合剪切力方向的横向压缩强度倾角参数；为垂直于断裂斜面合剪切力方向的倾角参数；为断裂斜面合剪切力方向的横向剪切强度倾角参数；为断裂斜面合剪切力方向的纵向剪切强度倾角参数；为横向压缩强度倾角参数。具体地，根据图2和图3的模型模拟叶片叶根断裂的情形及上述关于断裂时角度，在根据物理受力模型分析出在该角度时的上述各个受力函数值。

本发明的兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法通过多组r、x和y计算牙间环向纤维失效因子，以牙间环向纤维失效因子最小值对应的一组r、x和y作为预埋螺栓套最终模型的技术参数输出，从而实现了一种低成本的兆瓦级风电叶片预埋螺栓套设计方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。