1.5MW机组轮毂静强度分析实例

1）结构简介：1.5MW机组的轮毂由球墨铸铁铸造成型，是风轮系统的主要承力结构，所有从叶片传来的外载荷，都要经过轮毂传递到传动系统。此外，轮毂还要承受因风轮旋转引起的周期性惯性力和偏航引起的离心力等。可见，轮毂受力非常复杂，本次分析旨在评估这些复杂载荷对轮毂静强度的影响，轮毂结构图如图12-3所示。

2）有限元建模：本次分析考察的重点为轮毂主体的强度，不计入轮毂与其他部件之间连接区域的非线性特征，为此在分析中构建了简化的模型。建立了轮毂整体模型，轴承、叶片以及主轴部分模型。有限元分网原则为：材料参数依据设计规范获得；轮毂以10节点4面体单元分网，叶片、主轴及变桨轴承以20节点6面体单元分网；细化轮毂外端突缘和变桨电机连接区域的网格，追求这些区域高质量的网格；对于属于不同结构的实体单元，采用绑定接触建立连接；叶片根部中心加载节点与承力结构之间以多点约束建立连接。有限元模型见图12-4。

3）边界条件：轮毂主要承受的载荷来源于叶片，为全面校验轮毂在极端载荷条件下的静强度，按照叶片编号和载荷方向分组提取极限载荷数值作校验分析是合理的。精简重复性载荷工况，本次静强度分析共执行13组。载荷数值见表12-2。位移边界为主轴端面约束全部自由度。

图12-3 轮毂结构三维图

图12-4 轮毂有限元图

表12-2 载荷数值表

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4）计算结果：由有限元计算得到，各个极限载荷工况下轮毂出现的最大等效应力数值见表12-3，出现最大等效应力的工况下的应力分布云图和位移分布云图见图12-5和图12-6。

表12-3 应力计算结果

图12-5 第8种工况等效应力分布图

图12-6 第8种工况位移分布图

5）强度校核根据参考文献[45]对结构件的极限强度要求：轮毂在极限载荷条件下的静强度安全系数应大于1.1。由计算结果得到：在工况8的载荷作用下，轮毂与主轴连接处出现最大等效应力，数值为137.49MPa，强度安全系数为1.6。所以，轮毂的静强度满足设计标准要求。