[发明专利]风力发电机组轮毂极限强度的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组轮毂极限强度的计算方法。

背景技术

原有对轮毂的强度计算都是利用工程算法计算整体轮毂的强度能否符合要求，若不符合设计要求要进行整体加厚处理，而轮毂的形状复杂，受力的状态也很复杂，工程算法计算过程比较复杂，很难计算精准，不能准确找到其最薄弱的部位。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种风力发电机组轮毂极限强度的计算方法，它通过有限元分析软件计算，计算准确度高，以解决轮毂的强度安全问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明风力发电机组轮毂极限强度的计算方法，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，定义各个部件材料属性，设置约束条件，进行计算，得出变形及应力云图，其中，建模过程如下：

（1）通过现有工程软件绘制轮毂三维模型，导入到有限元软件平台，在有限元软件中绘制叶片及主轴分别与轮毂连接的部分三维实体模型；

（2）设置叶片、主轴和轮毂材料属性，建立其有限元模型，将叶片、主轴与轮毂进行刚性耦合；确定轮毂总体坐标系；

（3）在轮毂和每个叶片根部分别建立节点并将其转换到德国劳埃德GL中规定的叶根坐标系，然后刚性耦合到叶片上，使载荷通过叶片传递给轮毂。

所述进行有限元网格划分，是对轮毂利用三维实体单元进行有限元网格的划分，对叶片根部易出现应力集中的特征部分的网格进行加密设置，每个叶片根部中心位置建立局部坐标系。

所述设置约束条件，包括：

（1）对主轴端面施加全部约束，使轮毂能够完全固定；

（2）分别在每个坐标系原点施加载荷，该载荷为轮毂在实际风工况下的力及力矩。

所述载荷包括各个叶片产生的气动载荷、由于风轮旋转和机舱对风轮转动引起的离心力、惯性力和重力以及轮毂自身的重力。

所述材料属性包括材料的弹性模量和泊松比。或者，所述材料属性还包括材料密度。

 本发明的有益效果为：

1.本发明利用有限元分析软件计算轮毂极限强度，有利于精准的计算轮毂的强度性能，且可同时计算多个工况，节约成本，非常适于大范围推广。

2.本发明的计算方法，有利于节省计算时间，提高计算效率，对计算机的要求低。

附图说明

图1为本发明中法兰的连接结构示意图。

图2为本发明中轮毂总体坐标系示意图。

图3为本发明中的叶片坐标系示意图。

图4为本发明计算得出的轮毂应力云图。

图5为本发明计算得出的轮毂变形云图。

图中：1. 轮毂，2. 叶片，3.主轴，4. 刚性连接单元，5.节点，XN、YN、ZN为轮毂坐标系，FX、FY、FZ为轮毂各坐标上的力，MX、MY、MZ为轮毂各坐标上的力矩，XR、YR、ZR为叶片坐标系，FR、FR、FR为叶片各坐标上的力，MR、MR、MR为叶片各坐标上的力矩。

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）作为实施工具，建立模型，定义各个部件材料属性，进行计算，得出变形及应力云图，包括如下步骤：

第一步，建模过程如下：

（1）通过现有的工程软件绘制轮毂三维模型，导入到有限元软件平台，在有限元软件中绘制叶片2与轮毂1、主轴3与轮毂1连接的部分三维实体模型；

（2）设置叶片2、主轴3和轮毂1材料属性，包括材料的弹性模量及泊松比；建立其有限元模型，如图1所示，将叶片2、主轴3与轮毂1进行刚性耦合；确定轮毂1总体坐标系，如图2所示；

（3）在轮毂1和每个叶片2根部分别建立节点5（坐标系原点），如图1所示，并将其转换到德国劳埃德GL中规定的叶根坐标系，各节点5与叶片2端部做刚性耦合，使载荷通过叶片2传递给轮毂1。

第二步：对轮毂1利用三维实体单元进行有限元网格的划分，对叶片2根部易出现应力集中的特征部分的网格进行加密设置，如：圆角、倒角、尖角、曲面等，每个叶片2根部中心位置建立局部坐标系，该局部坐标系是以叶片2的轴向方向为叶片2的Z方向，轮毂1的迎风方向为X方向，通过右手定则得出Y方向。

第三步，设置约束条件，包括：

（1）对主轴3端面施加全部约束，即约束主轴3端面，做所有方向自由度，所有方向自由度是指X、Y、Z坐标方向的平动和转动共6个方向自由度，使轮毂能够完全固定，如图3所示；