[发明专利]一种法兰连接螺栓极限强度校核的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种法兰连接螺栓极限强度校核的计算方法，是校核风机塔筒法兰连接螺栓的一种更通用方法，可以广泛用于多种结构风机塔筒法兰连接螺栓的极限强度校核。

背景技术

现在兆瓦级风机塔筒主要采用的是钢塔式的圆锥形塔筒，各段塔筒通过钢制法兰和高强螺栓进行连接。连接高强螺栓的安全与否直接关系到整个机组的安全。工程上普遍采用皮特森方法（Petersen Method）对塔筒连接螺栓进行极限强度校核。Petersen方法并没有考虑螺栓预紧力作用对变形的影响。螺栓只用弹簧模拟，而且预变形为0。由于弹簧不承受弯矩作用，Petersen方法计算的螺栓没有考虑弯矩的影响，计算是不够准确的。Petersen方法对于螺栓采用很大的安全系数，因此在一定程度上弥补了计算的不精确，与实验数据基本相符；由于边界条件问题，Petersen方法只能对塔筒中间段法兰连接螺栓进行校核，而不能校核塔筒顶端和塔筒底部法兰连接螺栓；同时，Petersen方法只适合对L型和T型法兰连接螺栓机型校核，而不能校核特殊形状法兰连接螺栓。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种更通用的、适用于所有风机法兰连接螺栓极限强度校核的计算方法。它通过有限元分析软件计算，以解决风机连接螺栓的强度安全问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种法兰连接螺栓极限强度校核的计算方法，采样有限元分析软件作为平台实施建模，进行有限元网格划分，设置连接结构载荷和边界条件，进行计算，得到螺栓的受力情况，所述设置连接结构载荷和边界条件，具体为：模型中上法兰与下法兰之间为标准的摩擦接触关系；高强垫圈与螺栓螺母、高强垫圈与螺栓螺帽之间采用共节点方式进行连接；高强垫圈与上法兰、高强垫圈与下法兰之间采用绑定接触方式进行连接；约束下法兰底端的塔筒结构节点空间坐标系X、Y、Z三个方向的自由度；在上法兰中心建立节点并通过多点约束梁单元与塔筒模型顶端连接，在此处施加极限工况载荷；各连接螺栓均施加螺栓预紧力。

进一步地，所述的建模过程具体为：在有限元分析软件中使用三维实体模型建立上、下法兰、部分塔筒结构、高强垫圈、高强螺栓的螺帽和螺母部分，其中上、下法兰、部分塔筒结构结合为一体模型；使用线单元建立高强螺栓的螺杆部分。

进一步地，所述对法兰螺栓连接结构几何模型进行有限元网格划分，具体如下：对于各连接部件几何模型的三维实体单元采用六面体单元进行网格划分；对于线单元采用三维梁单元进行模拟，在网格划分，其截面面积为螺栓的应力面积。

进一步地，所述六面体单元进行网格划分的单元为10～20mm。

进一步地，所述三维梁单元进行网格划分，每个螺杆划分为15～20分单元。

进一步地，所述施加极限工况载荷是通过施加多步载荷计算收敛速度。

进一步地，所述有限元模型计算求解采用非线性求解的计算方法，得到螺栓应力大小和危险位置，将该值与螺栓许用值比较，校核螺栓强度。

本发明的有益效果为：

1.本发明可以对风机塔筒所有位置和所有类型的法兰连接螺栓进行极限强度校核，适用性非常广。

2.本发明计算过程简单易行，便于实施。

3.本发明对于三维实体单元采用六面体单元进行网格划分，可以加快计算速度和提高计算精度。

4.采用本发明连接结构载荷和边界条件设置，通过牛顿-拉普森算法解决多组接触非线性问题，并通过施加多步载荷来加快计算收敛速度，使得计算后的螺栓应力大小和危险位置准确度更高。

附图说明

图1为本发明中法兰的连接结构示意图。

图2为本发明中建立边界条件设置的模型示意图。

图中：1.螺母，2.上法兰，3.螺杆，4.下法兰，5.垫圈，6.螺帽

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例：本发明的计算方法采用ANSYS（有限元分析软件）为实施工具，本例以某风机塔筒底法兰连接螺栓极限强度校核的方法进行具体说明，法兰连接结构如图1所示，其计算方法包括如下步骤：

第一步：建立法兰螺栓连接结构几何模型：在ANSYS软件中分别使用实体模型建立上、下法兰2、4、部分塔筒结构、高强垫圈5、高强螺栓的螺帽6和螺母1部分，其中上、下法兰2、4、部分塔筒结构形成一体模型；使用线单元建立高强螺栓的螺杆3部分。