一种风力发电机组主机架强度计算方法及装置与流程

本发明涉及一种风力发电机组主机架强度计算方法及装置，属于风力发电机组机架强度分析技术领域。

背景技术：

大型风力发电机组往往运行在气候恶劣的自然环境中，所受载荷非常复杂。主机架是风机的主要承重部件，支撑着风轮、齿轮箱、发电机、传动系统等主要零部件，承受着这些部件的各种载荷。主机架是保证风机正常运行的关键因素，也是风机结构设计的重点和难点，分析主机架的强度至关重要。目前主机架强度多采用有限元方法进行分析，但建模时对某些传力因素未考虑或进行了简化，无法准确描述载荷的传递，如专利申请号为201510132809.4，名称为“一种风力发电机组主机架强度计算方法”的发明专利，该专利未考虑轴承滚子刚度的影响及偏航力矩的传递，且加载时忽略了加速度的影响，从而使得强度的计算结果与实际有所不同。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种风力发电机组主机架强度计算方法，以解决目前主机架强度计算时没有考虑加速度的影响所导致强度计算结果不够准确的问题；同时本发明还提供了一种风力发电机组主机架强度计算装置。

本发明为解决上述技术问题而提供一种风力发电机组主机架强度计算方法，该计算方法包括以下步骤：

1)采用有限元软件，对风力发电机组主机架涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型进行网格划分和装配，建立风力发电机组主机架的整体模型，上述载荷传递路径上的设备至少包括轮毂(1)、主机架(6)、主轴(3)、主轴承(8)、后机架(7)、塔筒(13)、齿箱(4)、偏航轴承(11)、塔顶法兰(12)、锁紧盘(2)、偏航制动盘(9)、偏航制动卡钳(10)、偏航电机(19)和齿箱弹性支承(5)；

2)按照静止轮毂坐标系在轮毂中心分别对整体模型施加六个方向的单位载荷，并按照偏航轴承坐标系对整体模型分别施加三个方向的单位加速度载荷；

3)建立包括主机架(6)及齿箱(4)、齿箱弹性支承(5)、后机架(7)、偏航制动卡钳(10)、偏航轴承(11)和偏航电机(19)的主机架子模型，把整体模型切割边界上的位移作为子模型的边界条件，以得到主机架子模型在各单位工况下的应力；

4)计算主机架的极限强度和或疲劳强度，将子模型计算得到的不同单位工况下的应力值与静止轮毂中心极限载荷及加速度极限载荷相结合，采用工况组合的方法计算极限强度；将不同单位工况下的应力值与静止轮毂中心及加速度的时序载荷谱相结合，计算疲劳强度。

进一步地，偏航齿轮采用pipe单元和beam单元模拟，并根据偏航齿轮的刚度确定pipe单元和beam单元的截面属性，偏航齿轮和偏航轴承间的连接采用只受压的link单元模拟，以实现偏航力矩的传递。

进一步地，偏航轴承的滚子采用只受压的link单元模拟，主轴承滚子采用承受拉压的link单元模拟。

进一步地，所述整体模型还包括发电机和控制柜，发电机和控制柜采用质量单元模拟，发电机与支承间采用pipe单元相连，控制柜与支承间采用pipe单元相连。

进一步地，主机架整体模型的约束边界条件为塔筒底部全约束。

本发明还提供了一种风力发电机组主机架强度计算装置，该计算装置包括整体模型建立模块、载荷加载模块、子模型建立模块和强度计算模块，

所述的整体模型建立模块用于采用有限元软件，对风力发电机组主机架涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型进行网格划分和装配，建立风力发电机组主机架的整体模型，上述载荷传递路径上的设备至少包括轮毂(1)、主机架(6)、主轴(3)、主轴承(8)、后机架(7)、塔筒(13)、齿箱(4)、偏航轴承(11)、塔顶法兰(12)、锁紧盘(2)、偏航制动盘(9)、偏航制动卡钳(10)、偏航电机(19)和齿箱弹性支承(5)；

所述的载荷加载模块用于按照静止轮毂坐标系在轮毂中心分别对整体模型施加六个方向的单位载荷，并按照偏航轴承坐标系对整体模型分别施加三个方向的单位加速度载荷；

所述的子模型建立模块用于建立包括主机架(6)及齿箱(4)、齿箱弹性支承(5)、后机架(7)、偏航制动卡钳(10)、偏航轴承(11)和偏航电机(19)的主机架子模型，把整体模型切割边界上的位移作为子模型的边界条件，以得到主机架子模型在各单位工况下的应力；

所述的强度计算模块用于计算主机架极限强度和或主机架疲劳强度，极限强度计算时将子模型计算得到的不同单位工况下的应力值与静止轮毂中心极限载荷及加速度极限载荷相结合，采用工况组合的方法计算极限强度；疲劳强度计算时将不同单位工况下的应力值与静止轮毂中心及加速度的时序载荷谱相结合，计算疲劳强度。

进一步地，所述整体模型建立模块采用pipe单元和beam单元模拟偏航齿轮，并根据偏航齿轮的刚度确定pipe单元和beam单元的截面属性，偏航齿轮和偏航轴承间的连接采用只受压的link单元模拟，以实现偏航力矩的传递。

进一步地，所述整体模型建立模块采用只受压的link单元模拟偏航轴承的滚子，采用承受拉压的link单元模拟主轴承滚子。

进一步地，所述整体模型建立模块所建立的整体模型还包括发电机和控制柜，发电机和控制柜采用质量单元模拟，发电机与支承间采用pipe单元相连，控制柜与支承间采用pipe单元相连。

进一步地，所述整体模型建立模块所建立的主机架整体模型的约束边界条件为塔筒底部全约束。

本发明的有益效果是:本发明首先将影响模型刚度的机械部件均考虑在内，建立包括完整的载荷传递路径的整体模型，并增加了偏航系统的模拟，然后按照静止轮毂坐标系在轮毂中心分别对整体模型施加六个方向的单位载荷，并按照偏航轴承坐标系对整体模型分别施加三个方向的单位加速度载荷；再采用子模型的方法对主机架详细建模并细化网格，以得到更加精确的主机架应力解。本发明实现了载荷的传递，受力更加真实，极限强度和疲劳强度都采用加载单位载荷的做法，减少了计算成本；同时主机架整体模型也可用于其它部件的子模型分析，节约了时间，提高了效率。

附图说明

图1是风力发电机机组主机架整体模型示意图；

图2是风力发电机组偏航系统的模拟示意图；

图3是风力发电机组主机架子模型示意图；

图中：1-轮毂、2-锁紧盘、3-主轴、4-齿箱、5-齿箱弹性支承、6-主机架、7-后机架、8-主轴承、9-偏航制动盘、10-偏航制动卡钳、11-偏航轴承、12-塔顶法兰、13-塔筒、14-发电机pipe单元、15-发电机、16-控制柜、17-控制柜pipe单元、18-轮毂beam单元、19-偏航电机、20-偏航齿轮pipe单元、21-偏航齿轮beam单元、22-齿轮啮合link单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明风力发电机组主机架强度计算方法的实施例

本实施例中的风力发电机组主机架极限强度计算方法通过现有的有限元软件建立主机架整体模型，简化不影响刚度的细节特征，施加各个方向的单位载荷进行计算；再采用子模型技术，建立主机架的详细模型并细化网格，施加整体模型在切割边界上计算得到的位移值作为子模型的边界条件，进行计算，并根据结果分析处理得到主机架的极限强度。该方法的具体实施步骤如下：

1.采用有限元软件，对风力发电机组主机架涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型进行网格划分和装配，建立风力发电机组主机架的整体模型。

使用三维软件建立轮毂1、锁紧盘2、主轴3、齿箱4、齿箱弹性支承5、主机架6、后机架7、主轴承8、偏航制动盘9、偏航制动卡钳10、偏航轴承11、塔顶法兰12和塔筒13的几何模型，删除倒角、螺栓孔、凸台等不影响刚度的小的特征，导入有限元软件中进行网格划分，同时施加相应的材料属性，其中齿箱弹性支承5为各向异性材料，其它部件为各向同性材料；各个部件间接触关系设置为绑定。

图2给出了偏航系统的模拟：偏航电机19采用solid187单元模拟，偏航齿轮采用pipe单元20和beam单元21模拟，并根据偏航齿轮的刚度确定单元的截面属性，偏航齿轮和偏航轴承间的连接采用只受压的link单元22模拟，以确保载荷沿一个方向传递。约束塔筒13底部全部自由度；在轮毂1中心建立节点，使用beam单元18将轮毂中心与轮毂三个端面连接，形成载荷伞。

本实施例中所建立的整体模型还包括发电机15和控制柜16，发电机15和控制柜16采用质量单元模拟，发电机15与支承间采用pipe单元14相连，控制柜16与支承间采用pipe单元17相连；偏航轴承11的滚子采用只受压的link单元模拟，主轴承8的滚子采用承受拉压的link单元模拟。

2.按照静止轮毂坐标系在轮毂中心分别对整体模型施加六个方向的单位载荷，并按照偏航轴承坐标系对整体模型分别施加三个方向的单位加速度载荷。

对于主机架整体模型，塔筒13底部固定，在轮毂中心建立节点，使用beam单元载荷伞将轮毂中心与轮毂三个端面连接，在该节点按照静止轮毂中心坐标系分别施加六个方向的单位载荷即轴向力Fx、横向力Fy、垂直力Fz、扭转力矩Mx、倾斜力矩My、偏航力矩Mz；并按照偏航轴承坐标系对整个模型分别施加3个方向的单位加速度载荷，即轴向加速度ax、横向加速度ay、垂直加速度az，可计算得到变形和应力云图。

3.建立主机架子模型，把整体模型切割边界上的位移作为子模型的边界条件，以计算主机架子模型在各单位工况下的应力。

如图3所示本发明建立主机架子模型包括主机架6及其邻近的部件如齿箱4、齿箱弹性支承5、后机架7、偏航制动卡钳10、偏航轴承11和偏航电机19，其中主机架被详细建模并细化网格，然后把整体模型切割边界上的位移作为子模型的边界条件，计算得到主机架在各工况下的更精确的应力云图。

4.风力发电机主机架强度计算。

本发明风力发电机主机架强度的计算可以针对主机架极限强度，也可以针对主机架疲劳强度。当计算主机架极限强度时，在有限元软件后处理中采用工况组合的方法，先将每个单位载荷下子模型的计算结果作为一个工况，根据静止轮毂中心极限载荷及加速度极限载荷确定各工况的载荷分项系数，然后把每个工况乘以相应的系数并进行组合，即可实现极限强度计算。当计算主机架疲劳强度时，将子模型计算得到的不同单位工况下的应力值与静止轮毂中心及加速度的时序载荷谱相结合得到应力谱，再对应力谱进行雨流计数得到marcov矩阵，然后通过材料SN曲线计算每个循环造成的损伤。根据Miner线性疲劳累积损伤理论，总损伤可以线性叠加，即对所有循环下的损伤求和即可计算疲劳强度。

本发明风力发电机组主机架强度计算装置的实施例

本发明的风力发电机组主机架强度计算装置包括整体模型建立模块、载荷加载模块、子模型建立模块和强度计算模块。整体模型建立模块用于采用有限元软件，对风力发电机组主机架涉及其载荷传递路径上的设备的三维几何模型进行网格划分和装配，建立风力发电机组主机架的整体模型，上述载荷传递路径上的设备至少包括轮毂1、主机架6、主轴3、主轴承8、后机架7、塔筒13、齿箱4、偏航轴承11、塔顶法兰12、锁紧盘2、偏航制动盘9、偏航制动卡钳10、偏航电机19和齿箱弹性支承(5)；载荷加载模块用于按照静止轮毂坐标系在轮毂中心分别对整体模型施加六个方向的单位载荷，并按照偏航轴承坐标系对整体模型分别施加三个方向的单位加速度载荷；子模型建立模块用于建立包括主机架6及齿箱4、齿箱弹性支承5、后机架7、偏航制动卡钳10、偏航轴承11和偏航电机19的主机架子模型，把整体模型切割边界上的位移作为子模型的边界条件，以得到主机架子模型在各单位工况下的应力；强度计算模块用于计算主机架极限强度和或主机架疲劳强度，极限强度计算时将子模型计算得到的不同单位工况下的应力值与静止轮毂中心极限载荷及加速度极限载荷相结合，采用工况组合的方法计算极限强度；疲劳强度计算时将不同单位工况下的应力值与静止轮毂中心及加速度的时序载荷谱相结合，计算疲劳强度。各模块的具体实现手段已在方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。