[发明专利]一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法

说明书

技术领域

本发明应用于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，具体应用于风力发电机组中除塔筒连接螺栓外其它大型结构件的连接螺栓强度的计算。

背景技术

螺栓是风力发电机组中叶片、轮毂、主轴、机架、轴承等重要的连接部件。在设计的过程中，因强度设计不准确，造成整机运行安全性得不到保障，很容易出现一些事故。近几年螺栓失效的问题频出，除了因其本身加工质量问题，也存在其设计不合理的因素在内。在以往对螺栓强度设计过程中，有的根据VDI 2230标准，此标准主要通过计算出最危险螺栓在外载荷作用下所受的轴向力和剪切力，结合其它的几何参数，得出满足螺栓强度时在螺栓上所施加的载荷值。当结构比较复杂时，使用工程算法计算螺栓所受的轴向力和剪切力作为VDI 2230标准的输入条件计算得到的精确性就很难保证。有的也是使用有限元方法计算螺栓的强度，但是在计算过程中未考虑到螺栓预紧力的施加方式，另外在对螺栓强度计算时，螺栓经常使用实体单元模拟，这样无形中增加模型的节点和单元数目，从而增加一定的计算成本。并且在螺栓强度评价时主要考虑螺栓的轴向应力，而对因弯曲而使螺栓承受的弯曲正应力均未考虑，这样计算出的螺栓应力会偏危险，存在一定的设计风险。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法。该发明通过将VDI2230标准与有限元分析相结合，使用有限元方法建立计算螺栓强度的分析模型，施加螺栓预紧力及外载荷边界及约束边界，求解得到螺栓所受综合应力。本发明的螺栓强度计算方法可应用于风力发电机组中除塔筒连接螺栓外其它所有的强度设计过程中。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种风力发电机组高强度螺栓强度的计算方法，通过有限元软件为平台实施建模，进行计算，得到螺栓的受力情况，包括如下步骤：

1）使用三维软件建立螺栓和由该螺栓连接的部件及关联部件的几何模型，进行装配后转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分；

2）对有限元网格模型施加相应的载荷边界及约束边界条件，载荷边界主要包括螺栓预紧力和其它部件的惯性载荷；

3）有限元分析软件根据模型求解得出螺栓的受力情况。

所述高强度螺栓采用三维梁单元进行模拟。

所述由高强度螺栓连接的部件及关联部件在网格划分中均使用实体网格。

所述螺栓预紧力模拟方式为在螺栓头处建立一节点，施加节点力，之后将此节点与螺杆处的某一单元关联。

所述螺栓预紧力通过扭力扳手施加时，螺栓承受载荷还包括扭转应力，此应力根据VDI2230标准获得。

螺栓螺纹与螺纹孔啮合处、螺杆与螺栓头的连接处采用多点约束的方式进行模拟。

本发明的优点在于对风力发电机组高强度螺栓强度的计算中，将VDI 2230标准和有限元分析方法结合，完善了细节方面的考虑，此方法不受限于结构的复杂程度，同时可以全面的考虑影响螺栓强度的因素，较为准确的表达螺栓的实际受力情况。该计算方法简单实用，提高了风力发电机组高强度螺栓设计的可靠性。

具体实施方式

下面是对本发明作进一步的说明。

本实例以风力发电机组中前、后机架连接高强度螺栓（M30）强度的计算为例，详细讲述螺栓强度的具体计算过程如下：

首先，建立有限元分析模型。

使用三维软件建立被连接件前、后机架的几何模型，进行装配后并转化为网格软件所识别的格式，导入网格软件中对所有部件进行网格划分。被连接件均为较大的金属结构，因此在网格划分中均使用实体网格；为了减少网格数量，螺栓采用三维梁单元进行模拟，在螺栓螺纹与螺纹孔啮合处、螺杆与螺栓头的连接处采用多点约束的方式进行模拟。

之后，对有限元分析模型施加相应的载荷边界及约束边界条件。

螺栓强度分析中的载荷边界主要包括：螺栓预紧力和在塔筒顶部坐标系下整个机舱的惯性载荷。螺栓预紧力的模拟方式为将螺栓螺杆部分采用三维梁单元，并在螺栓头处建立一节点，施加节点力，此力的大小与螺栓最小预紧力值同等（本实例中M30的螺栓，最小预紧力为273KN），之后将此节点与螺杆处的某一单元关联。整个机舱的惯性载荷的模拟方式：在整个模型中施加机舱点头惯性载荷、滚动惯性载荷及三个平动方向的惯性载荷。约束边界：主要为在前机架底部施加全自由度约束。

最后，将建立正确的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解。