（动力机械及工程专业论文）风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究.pdf

湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：套办嗣日期：砌7 年乡月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酬 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：奎芤明 刷醛毪和万 ，“r u 。，、 日期：列f f 年岁月7 日 日期：剀? 产弓月7 日 风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 摘要 近年来，风电在能源产业中异军突起，并呈现以每年3 0 的增长速度的发展趋势。但现 代风力发电用减速机( 包括偏航驱动减速机和变桨驱动减速机) 所承受的外部载荷为随时间 变化的动态随机载荷，所产生的动应力往往引起疲劳损伤和疲劳断裂。而传统的偏航驱动减 速机往往基于静强度设计方法，采用加大许用安全系数或降低许用应力的方法来提高其可靠 性，而未采用抗疲劳设计，故往往既不能提高偏航驱动减速机的可靠性和安全性，又不能达 到偏航驱动减速机结构轻量化的目的。 为此，本文采用数值仿真方法对偏航驱动减速机中的行星传动部分进行了动力学分析、 疲劳分析以及箱体的模态分析，对偏航驱动减速机的抗疲劳设计具有较大的参考价值。论文 的主要工作表现如下： ( 1 ) 对总体偏航减速机进行了虚拟装配和仿真分析，结果验证了整个偏航减速机的模拟运行 良好，为运用a n s y s 软件进行接触和疲劳分析做了良好的保证。 ( 2 ) 对行星齿轮接触问题进行了有限元分析，得到了齿轮啮合过程的接触应力分布和等效应 力分布，结果表明，行星齿轮初始啮合接触时，随着行星齿轮啮合的继续进行，产生接触应 力的范围不断扩大，最大应力急速增大至4 6 0 m p a ，小于行星齿轮材料的屈服极限。 ( 3 ) 对偏航减速机行星齿轮进行了疲劳仿真分析，获得了行星齿轮的疲劳寿命次数和累计疲 劳系数，结果表明，以4 2 c r m o 为材料的行星齿轮的抗疲劳特性符合偏航减速机工业设计的要 求。 ( 4 ) 对偏航减速机箱体进行的模态分析结果显示：偏航驱动减速机现有约束条件下的固有频 率偏离转子运动件激振频率，与之对应的临界转速远远低于减速机的工作转速，不易产生共 振。 关键词：偏航驱动减速机：行星齿轮；有限元；强度；疲劳强度：模态分析 硕士学位论文 # 目= ! _ 自= 自! ! = ! ! g 目s e ! ! ! 自! 目e ! ! ! = # = 自目, l = j d o j 自j = ! ! ! ! = 自自= e ! 目自= e = = = 目 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ni ss u d d e na p p e a r a n c ei ne n e r g yi n d u s t r y ，a n d h a sb e e ng r o w i n ga tar a t eo f3 0 p e ry e a r h o w e v e r ，r e d u c e r s 、f o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o n , t h e r ei s t h ey a wd r i v er e d u c e ra n dt h ep i t c hr e g u l a t e dd r i v er e d u c e ra l w a y se n d u r eo u t e r d y n a m i cr a n d o m1 0 a dw i t ht i m e a n dt h ed y n a m i cs t r e s sm a yc a u s ef a t i g u ed a m a g ea n d f a i l u r e t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , t h em e t h o dt h a ti n c r e a s i n gt h er i g h ts a f e t yc o e f f i c i e n to r r e d u c i n gt h ea l l o w a b l es t r e s si sa l w a y sa d o p t e di nt r a d i t i o n a ly a wd r i v er e d u c e r sb a s e do nt h e d e s i g nf o rs t a t i cs t r e n g t h 1 1 1 ea n t i f a t i g u ed e s i g ni sn o ta d o p t e d ，s ot h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y o fy a wd r i v er e d u c e ri sn o ta d v a n c e d , a n di sn o ts u i t a b l ef o rt h el i g h tw e i g h td e s i g no fy a w d r i v er e d u c e r t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i c ，f a t i g u ea n dm o d a ls i m u l a t i o na n a l y s i sf o rp l a n e t t r a n s m i s s i o no fy a wr e d u c e ra r ed i s c u s s e dw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i th a sg r e a t r e f e r e n t i a lv a l u ef o ra n t i f a t i g u ed e s i g no fy a wd r i v er e d u c e r n l em a i nc o n t e n t sa n d i n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b ya n a l y s i so fv i r t u a la s s e m b l ya n ds i m u l a t i o nf o rt h et o t a la s s e m b l em o d e lo fw i n d p o w e ry a wr e d u c e r ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h es i m u l a t i o np r o v e sd e s i r a b l e ，a l s op r o v i d e sa n e x c e l l e n ta s s u r a n c eo fa na p p l i c a t i o no ft h ef i n i t es o f t w a r ea n s y st oa n a l y z et h ec o n t a c ta n d f a t i g u ec o n d i t i o n ( 2 ) t h ec o n t a c ts t r e s s d i s t r i b u t i o na n de q u i v a l e n ts t r e s sd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e db y s i m u l a t i n gt h ec h a n g eo fc o n t a c ts t r e s si nt h ep r o c e s so fp l a n e t a r yg e a ro p e r a t i o n t h er e s u l t s h o w st h a t ：t h eb o u n d a r yo fc o n t a c ts t r e s si sp u s h e df u r t h e ro u ta st h eg e a r sa r eb e i n g e n g a g e d ，a n dt h em a x i m u ms t r e s si nt h ee n g a g e m e n tp r o c e s si s4 6 0 m p a ，b u ti ti ss t i l ll e s s t h a nt h em a t e r i a ly i e l dl i m i to ft h ep l a n e t a r yg e a r ( 3 ) t h ef a t i g u el i f ea n dc u m u l a t i v ef a t i g u ec o e f f i c i e n ta r eo b t a i n e db ya n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n gt h ef a t i g u es i m u l a t i o nr e s u l t s n l ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa l s o i n d i c a t et h a tt h e a n t i - f a t i g u ep r o p e r t yo fp l a n e t a r yg e a rb a s e do n4 2 c r m oi si na c c o r d 、i mt h ee n g i n e e r i n g d e s i g nr e q u i r e m e n t c e r t a i nt o r q u ec o n d i t i o n ( 4 ) t h em o d a la n a l y s i so fy a wr e d u c e rr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h en a t u r a lf r e q u e n c yo fy a wd r i v e r e d u c e ru n d e rt h ee x i s t i n gc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sd r i f t sf r o me x c i t a t i o nf r e q u e n c yo ft h e m o v i n gc o m p o n e n t si n ar o t o r ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc r i t i c a ls p e e dg e tw e l lb e l o wt h e n o r m a ll e v e lo fy a w r e d u c e r , s oi th a st r o u b l ep r o d u c i n gt h er e s o n a n c e k e yw o r d s ：t h ey a wd r i v er e d u c e r ；p l a n e t a r yg e a r ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r e n g t h ；f a t i g u es t r e n g t h ； m o d a la n a l y s i s i i i 风屯偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 目录 摘要一： a b s t r a c t i i i 第l 章绪论：1 1 1 引言l 1 2 新型风电偏航驱动减速机概述2 1 3 国内外机械抗疲劳技术研究现状3 1 4 课题的研究意义。4 1 5 课题来源及论文研究内容4 第2 章接触碰撞问题基础及l s d y n a 简介6 2 1 接触一碰撞数值计算方法6 2 1 1 接触一碰撞数值计算方法简介6 2 1 2 接触一碰撞数值计算条件7 2 1 3 接触一碰撞数值计算方法的有限元实现8 2 2a n s y s 软件简介1 1 2 2 1a n s y s 软件的发展历程1 2 2 2 2a n s y s 软件提供的分析类型1 2 2 2 3 有限元分析的优势一1 3 2 3 本章小结1 4 第3 章偏航驱动减速机行星传动部分动力学分析。1 5 3 1 齿轮接触理论应力值估算1 5 3 2 新型偏航驱动减速机行星传动部分有限元前处理及求解1 8 3 2 1 新型偏航驱动减速机建模1 8 3 2 2 一级行星齿轮传动部分建模及分析19 3 2 3 一级行星传动部分的建模与装配。1 9 3 2 4 行星传动部分齿轮材料设置2 l 3 2 5 行星齿轮和太阳轮啮合时的网格划分2 3 3 2 6 定义接触对2 6 3 2 7 定义边界条件及求解2 6 3 3 结果分析2 8 3 4 本章小结3 0 第4 章偏航驱动减速机行星传动部分疲劳分析3 l 4 1 疲劳分析的基本概念与步骤o 3 l i v 石贞上学位论义 4 1 1 疲劳定义3 l 4 1 2 疲劳计算能力31 4 1 3 疲劳基本术语3 2 4 1 4 疲劳计算的基本步骤3 2 4 2 疲劳分析的理论计算3 2 4 3 有限元分析的疲劳计算。3 3 4 4 本章小结：3 7 第5 章偏航驱动减速机箱体模态分析3 8 5 1 模态分析概述3 8 5 2 单元类型的选择与网格划分3 8 5 3 偏航驱动减速机箱体模态分析结果4 0 5 4 临界转速分析4 2 5 5 本章小结4 3 第6 章结论与展望。4 4 6 1 结论4 4 6 2 展望4 5 参考文献4 6 附录攻读硕士学位期间发表的学术论文目录4 9 至炙谢5 0 v 硕- 二学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 人类开发和利用自然能源的历史源远流长，第三次工业革命的到来，使人们对能源 的认识有了资的飞跃。工业的飞速发展以及电力系统的形成，使人们对化石类燃料的需 求达到了空前的境地，随之而来就是对地球环境的巨大的破坏。因此能源，环境问题成 为当今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题，对可再生能源的开发和利用，已经成为 各国能源发展战略。 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。能源的发展按照可持续发 展战略原则，在开发利用常规能源的同时，应更加注重开发利用对生态有利的新型能源， 如风能、太阳能、潮汐能、水能等【l j 。风力发电由于清洁无污染，施工周期短，投资灵 活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益，已受到世界各国政府的高度重视。 风力发电具有安全可靠、无污染、不需要消耗燃料、能源不会枯竭、不会对气候造 成影响、建设周期短、规模大小灵活、可并网运行等特点。近年来，在能源产业中异军 突起，风电是目前世界上增长最快的能源，在过去1 0 年间，世界风能发电厂以每年3 0 的增长速度在发展。由于风力发电开发方面有明显优势，大规模开发利用将会有效减 少石化能源的使用、减少温室气体排放、保护环境，大力发展风能已经成为各国政府的 重要选择【3 j 。据估计，全球可利用的风能总量在5 3 0 0 0 t w h 年。随着人们环保意识的增 强和各国对可再生能源的多项优惠政策的鼓励，全世界风力发电在未来1 5 年内，仍将以 3 0 - - - 5 0 的速度持续增长【4 j 。可以预言，2 1 世纪是人类在能源方面以太阳能、风能等可 再生能源为主的世纪，能源的开发利用将面临历史性的变革。 我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。据专家预测，我国风能储量大， 分布面广，全国大约有2 3 的地区为多风地带。全年平均风速3 m s 及以上的时间达 3 0 0 0 - - 5 0 0 0 h 。平均风能密度为l o o w m 2 ，陆地上可开发的风能资源约2 5 3 亿k w 。东 部沿海还有丰富的海上风能资源，距离电力负荷中心较近，海上风电场在远期将是后续 能源基地。 目前，许多国家十分重视风电发展，从可持续发展的角度制定了发电的规划，到 2 0 2 0 年风电占电力比重达到1 0 的国家将有：美国、德国、英国等。中国在未来的风 电发展亦将保持在2 0 - - 3 0 之间，力争到本世纪中叶，包括风电在内的可再生能源在 能源结构中占5 0 。 在机械零件和工程结构的三种主要失效形式( 磨损、腐蚀、疲劳断裂) 中，断裂约占 机械失效事故中的5 0 9 0 ，由于疲劳断裂多是突然发生的，常常导致灾难性的设备 和人身事故，给社会和生产带来巨大的损失1 2 】。例如，美国国家标准局研究报告指出， l 风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 美国每年因断裂及防止断裂在经济上要付出1 1 9 0 亿美元的代价，相当于其国民经济总 产值的4 ；如果能充分依靠科学技术的力量，有一半的经济损失是可以避免的1 1 2 j 。 因此，世界一些工业发达的国家，对重要的机械产品都要进行疲劳强度设计，把产 品的疲劳性能作为一项重要的技术指标。 现代风力机是典型的疲劳关键机械产品【1 3 】。风力机所承受的外部载荷主要是随时间 变化的动态随机载荷；在这种载荷的作用下，风力机的许多零部件都会产生动应力，引 起疲劳损伤，疲劳断裂是风力机零构件的主要失效形式之一。当使用静强度设计方法时， 考虑到风力机零部件实际是在变载荷作用下工作，通常采用加大许用安全系数或降低许 用应力的方法来提高风力机的可靠性。由于静载破坏是整体断裂所以提高静强度必须加 大零构件整个截面的尺寸，但即便如此仍有可能产生疲劳破坏。这是因为疲劳破坏与静 载断裂是不同的，疲劳裂纹首先在零部件危险点的局部区域内产生，继而裂纹扩展直至 断裂，只要将危险点的峰值应力降下来( 如加大过渡圆角半径) ，或将危险点局部区域的 材料强度提高，就能提高疲劳强度【1 4 】。由此可见，采用抗疲劳设计既能提高风力机的可 靠性和安全性，又可达到风力机结构轻量化的目的。 1 2 新型风电偏航驱动减速机概述 无论是变桨矩系统还是偏航系统，都是为了提高风能的利用率和提高发电效率。就 偏航系统而言，就是要完成风力机叶轮始终正对风向的功能。因为，风作为自然界的产 物，具有随机性，风向总是在不断的改变，偏航驱动减速机成为水平轴风力发电机组控 制系统的重要组成部分。 风力机偏航的原理是通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微 处理器，微处理器计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向 以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，微处理器发出一定的信号给 偏航驱动机构，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的1 5 - 9 1 。 由于风力机机体内部空间的限制，使得偏航驱动减速机的安装空间很有限。因此在 满足载荷条件下，要求实现偏航减速机的结构简单、轻量、小体积等，这对整个风力机 的安装和维护都有很大的意义。 目前，风电行业中所使用的减速机大多为多级行星传动机构，而很少有活齿传动机 构的应用，或者说只应用在其它行业。对于大功率的风力发电机组，偏航减速机所要承 载的负载、传动比和扭矩更大。在相同传动比的情况下，采用行星传动形式的偏航减速 机，其体积会更大，整体系统的传动链也相应增长，这样在实际有限的安装空间下，就 满足不了使用要求。 基于这一情况，本文研究的1 5 兆瓦级风电偏航减速机采用三级传动形式，第一级 为行星齿轮传动形式，第二级和第三级为销轴式活齿传动形式。如果全部采用行星齿轮 2 硕上学位论文 传动，则偏航减速机要分为四级传动，这样就增加了减速机的总体积和重量。因此，本 文研究的在二、三级采用销轴式活齿传动的偏航减速机完全达到了减小体积和重量的要 求，这对整个风力机的安装和维护都有很重要的意义。如图l 所示，在p r o e 中建立 的新型偏航驱动减速机总体装配模犁。 图l 总体装配模型 1 3 国内外机械抗疲劳技术研究现状 在机械零件和工程结构的三种主要失效形式( 磨损、腐蚀、疲劳断裂) 中，断裂约占 机械失效事故中的5 0 9 0 ，由于疲劳断裂多是突然发生的，常常导致灾难性的设备 和人身事故，给社会和生产带来巨大的损失。例如，美国国家标准局研究报告指出，美 国每年因断裂及防止断裂在经济上要付出1 1 9 0 亿美元的代价，相当于其国民经济总产 值的4 ；如果能充分依靠科学技术的力量，有一半的经济损失是可以避免的【l5 1 。 因此，世界一些工业发达的国家，对重要的机械产品都要进行疲劳强度设计，把产 品的疲劳性能作为一项重要的技术指标。 风力机组中主要零部件包括塔架、机舱底座、主轴及轮毂等。由于风力机组中零部 件的结构比较复杂，几何尺寸也较大，因此在制造中一般采用铸造或焊接形式。在铸造 和焊接的过程中会不可避免的在零部件中产生像砂眼等一些降低其疲劳强度的缺陷，随 着单机功率在不断增大，其几何尺寸也随之增大，因此在零部件中包含的影响其疲劳强 度的缺陷就越多，因此对其进行疲劳寿命分析，提高其疲劳强度就显得越来越重要了。 现代风力机是典型的疲劳关键机械产品i l 叫。风力机所承受的外部载荷主要是随时间 变化的动态随机载荷；在这种载荷的作用下，风力机的许多零部件都会产生动应力，引 起疲劳损伤，疲劳断裂是风力机零构件的主要失效形式之一。当使用静强度设计方法时， 考虑到风力机零部件实际是在变载荷作用下工作，通常采用加大许用安全系数或降低许 用应力的方法来提高风力机的可靠性。由于静载破坏是整体断裂所以提高静强度必须加 3 风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 大零构件整个截面的尺寸，但即便如此仍有可能产生疲劳破坏。这是因为疲劳破坏与静 载断裂是不同的，疲劳裂纹首先在零部件危险点的局部区域内产生，继而裂纹扩展直至 断裂，只要将危险点的峰值应力降下来( 如加大过渡圆角半径) ，或将危险点局部区域的 材料强度提高，就能提高疲劳强度【l 。由此可见，采用抗疲劳设计既能提高风力机的可 靠性和安全性，又可达到风力机结构轻量化的目的。 对风力机零部件进行疲劳寿命分析，首先要确定其所受的疲劳载荷。v a s i l i s 等人研 究了在不同控制策略下的风力机的疲劳载荷【1 7 】；s t e v e n 建立了一个基于弯矩的疲劳载荷 模型f 1 3 】；f i t z w a t e r 研究了利用有限的数据来预测风力机的设计载荷1 1 9 1 ；m a n u e l 等人提 出了用于计算风力机疲劳载荷的参数模型1 2 0 。此外还有其他学者提出了一些确定风力机 疲劳载荷的方法【2 1 - 2 4 1 。 1 4 课题的研究意义 目前，我国的大部分风电设备主要依赖进口，在已建成的1 8 6 4 台风电机组中8 0 的设备是进口的。由于高昂的设备价格导致我国的风电项目成本居高不下，给我国的风 电产业产生了严重影响。另外，进口设备不适应中国气候条件及大量部件损坏得不到及 时更换等问题更阻碍了中国风电产业的发展，因此开展风力机关键部件的疲劳研究对于 风电产业的发展具有重大的现实意义。 由于我国的风电事业的发展还不成熟，缺乏研究的积累和资深技术人才，我国在风 电项目的研发上还有待提高，总体来说还处于学习和引进国外的先进技术阶段。目前国 内的主要的风电产品企业都采用了引进、消化、吸收的策略。虽然目前引进先进的图纸， 但受限于国内配套企业的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量和性能都 无法达到国外产品的等级。在图纸的国产化过程中往往采用降低精度，加大尺寸的策略。 使得国产化的产品比较笨重。其几何尺寸也随之增大，因此在零部件中包含的影响其疲 劳强度的缺陷就越多，因此对其进行疲劳寿命分析，优化零部件的生产设计，提高其疲 劳强度就显得越来越重要了。 1 5 课题来源及论文研究内容 随着风力发电机的大型化，风力机结构疲劳寿命问题日益突出。为了降低成本，减 轻重量，提高风力机工作的可靠度，需对风力机中关键零部件进行抗疲劳设计。这就需 要探讨一种适合于风力机抗疲劳设计的方法。因此，湖南省某风电公司与湖南大学合作 的项目一1 5 m w 风力机组偏航驱动机构研发。本论文为该项目其中的一部分，即对 1 5 m w 风电偏航减速机一级行星传动部分进行动力学及疲劳仿真分析，揭示行星齿轮 接触应力以及结构振动的规律变化情况，寻求提高其抗疲劳性能的有效途径，为未来一 4 硕十学位论文 级行星传动部分的改型设计提供技术参考。同时，本项目中将新的有限元技术应用到国 内行星齿轮抗疲劳性能研究中，大大提高了对齿轮的运转寿命仿真的准确性，缩短研发 周期，给企业带来良好的经济效益。 论文的主要内容如下： 第1 章绪论。主要包括新型风电偏航驱动减速机概述、国内外机械抗疲劳技术研 究现状、课题的研究意义和课题来源及论文研究内容。 第2 章接触碰撞问题基础及l s d y n a 简介。主要包括接触一碰撞数值计算方法、 a n s y s 软件简介等内容。 第3 章偏航驱动减速机行星传动部分动力学分析。主要包括理论应力值估算、新 型偏航驱动减速机行星传动部分有限元前处理及求解、动力学仿真结果分析等内容。 第4 章偏航驱动减速机行星传动部分疲劳分析。主要包括疲劳分析的基本概念与 步骤、疲劳分析的理论计算、有限元分析的疲劳计算等内容。 第5 章偏航驱动减速机箱体模态分析。主要包括模态分析概述、单元类型的选择 与网格划分、偏航驱动减速机箱体模态分析结果和临界转速分析等内容。 第6 章结论与展望。 风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 第2 章接触碰撞问题基础及l s d y n a 简介 接触一碰撞问题是生产和生活中普遍存在的力学问题。例如发动机活塞和气缸的接 触，轴和轴承的接触，以及齿轮传动过程中齿面的相互接触等。本课题中行星齿轮传动 部分中齿轮间相互啮合的接触也肩于接触一碰撞问题。 2 1 接触一碰撞数值计算方法 2 1 1 接触一碰撞数值计算方法简介 接触一碰撞问题涉及到三种非线性，及大变形引起材料非线性、几何非线性以及接 触界面的非线性。接触界面非线性主要来源于： ( 1 ) 接触界面的区域大小和相互位置以及接触状态不仅事先都是未知的，而且是随时 间变化的，需要在求解过程中确定。 ( 2 ) 接触条件的非线性。接触条件的内容包括：接触物体不可相互侵入；接触力 的法向分量只能是压力；切向接触的摩擦条件。 这些条件区别于一般约束条件，带有强烈的非线性。因此，方法和算法的适当选择 对于成功是至关重要的h 1 。常用的有限元数值计算方法有以下3 种： ( 1 ) 节点约束法( k i n e m a t i cc o n s t r a i n tm e t h o d ) 该方法由h u g h e s 等于1 9 7 6 年提出，其基本原理是：在每一时间步缸修正构形之 前，搜索所有未与主面( m a s t e rs u r f a c e ) 接触的从节点( s l a v en o d e ) ，看是否在此， 内穿透了主面。如是，则缩小出，使那些穿透主面的从节点都不贯穿主面，而使其正 好到达主面。在计算下一个出之前，对所有已经与主面接触的从节点都是假约束条件， 以保持从节点与主面接触而不贯穿。此外，还应检查那些和主面接触的从节点所属单元 是否受到拉应力作用。如受到拉应力，则释放条件，使从节点脱离主面卜。 这种算法存在的主要问题是：如果主面网格划分比从面( s l a v es u r f a c e ) 细，某些 主节点( m a s t e r n o d e ) 可以毫无约束的穿过从面( 这是由于约束只施加于从节点上) ， 形成所谓的“纽结”( k i n k ) 现象。当接触面上的压力很大时，无论单元采用单点还是 多点积分，这种现象都很容易发生。当然，好的网格划分可能会减弱这种现象。但是对 于很多问题，初始构形上好的网格划分在迭代多次后可能会变得很糟糕。由于节点约束 算法较为复杂，目前一般仅用于固连界面，主要用来将结构网格的不协调部分连接起来。 ( 2 ) 分布参数法( d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm e t h o d ) 分布参数法也是发展较早的一种接触界面算法，与节点约束法相比，这种算法具有 较好的网格稳定性。 6 坝十学位论文 该方法的基本原理是：将每一个正在接触的从单元( s l a v ee l e m e n t ) 的一半质量分 配到被接触的主面面积上，同时根据每个正在接触的从单元的内应力确定作用在接受质 量分配的主面面积上的分布压力。在完成质量和压力的分配后，修正主面的加速度。然 后对从节点的加速度和速度施加约束，以保证从节点在主面上滑动，不允许从节点穿透 主表面，从而避免了反弹现象。这种算法主要用来处理接触界面具有相对滑移而不可分 开的问题。因此，该算法主要用于处理爆炸等问题 2 6 】。 ( 3 ) 罚函数法( p e n a l t ym e t h o d ) 该算法于1 9 8 1 年由h u a g 等人提出。现在，罚函数法已发展为一种非常用的接触 界面算法，在数值计算中被广泛应用【3 0 】。 罚函数法的基本原理是：在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面，如没有 穿透不作任何处理。如果穿透，则在该从节点与被穿透主面间引入一个较大的界面接触 力，其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。这在物理上相当于在两者之间放置一法向 弹簧，以限制从节点对主面的穿透。接触力称为罚函数值 2 7 1 。对称罚函数法在每一个 时间步对从节点和主节点循环处理一遍，算法相同。 罚函数法的固有缺陷是求解出的撞击力、撞击速度与加速度都是振荡的，振荡的程 度与所选取的罚因子数值相关。其优点是方法原理简单、编程容易、很少引起沙漏 ( h o u r g l a s s ) 效应、没有数值噪声，且动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件，因此在 动力学分析软件中被广泛采用 2 9 】。 2 1 2 接触一碰撞数值计算条件 ( 1 ) 接触界面与非嵌入条件 考虑两物体a 与b 的接触问题，其现时构形分别为v a 和v b ，边界面分别为a a 和a b ，接触面记为a c = a a n a b ，如图2 1 所示。 图2 1 两物体接触示意图 物体a 为主体( m a s t e r ) ，其接触面为主动面，物体b 为从体( s l a v e ) ， 为从动面。a 与b 接触时的非嵌入条件可以表示为： 吆n v b = o 其接触面 ( 2 1 ) 风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 式( 2 1 ) 说明，物体a 与物体b 不能互相重叠，由于事先无法确定两物体在哪一 点接触，因此大变形问题中无法将非嵌入条件表示成位移的代数或微分方程，只能在每 一时间步对比a c 面上物体a 与b 对应节点的坐标或对比速率来实现位移协调条件 研一础- - ( u 彳一甜口) 刀一ol ( 2 幻 或 啄一瑶= ( v 4 1 ，b ) 刀ok ( 2 3 ) 式中，下标表示接触法向。 ( 2 ) 接触界面力条件 由牛顿第三定律，接触面力应满足 群嚣 汜4 ， 式中，巧与瞄b 分别为物体a 与b 的法向接触力；巧与孝、砖分别为物体a 与b 的切 向接触力旧。 2 1 3 接触一碰撞数值计算方法的有限元实现 采用对称罚函数法，接触一碰撞数值计算方法的实现过程如下所示： ( 1 ) 如图2 2 所示，在碰撞体中选取任意一从节点仫，搜索与其最靠近的主节点。 图2 2 从节点与最近主节点的位置关系 ( 2 ) 检查与主节点m 。有关的所有主单元面，确定从节点嗽穿透主表面时可能接触的主 单元表面，如图2 3 所示。若主节点m 。与从节点胛。不重合，当满足不等式( 2 5 ) 时， 从节点佩与主单元面s 。接触。 舱燃挎瞩：) o ( 2 5 ) i ( g s ) ( s x c , + 。) 0 式中，c f 和c f + ，是主单元面上在m s 点的两条边矢量；矢量s 是矢量g 在主单元面上的投 影；g 为主节点指向从节点你的矢量，如式( 2 6 ) 所示： 硕士学位论文 s = g 一( g m ) m ( 2 6 ) 风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 ，= 绣 f 一厂( 六，仉) 毋 ( 2 1 6 ) 按照作用力与反作用力原理，计算主单元面上4 个主节点的摩擦力。若静摩擦系数 为风，动摩擦系数为儿，用指数插值函数来使两者平滑过渡，如式( 2 1 7 ) 所示： t = 胁+ ( 凰一鳓) e - e l y ( 2 1 7 ) 式中，v = f ，a t 为时间步长；c 为衰减因子。 ( 7 ) 将接触力矢量石、厶( ，= 1 ，2 ，3 ，4 ) 和摩擦力矢量投影到总体坐标轴方向，得到 节点力总坐标方向向量，组集到总体载荷矢量尸中，进行动力学分析。 2 2a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分 析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能与多数 c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n ，a l o g o r , i - - d e a s a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。 a n s y s 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结 构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、 汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括：前处理模块，分析计算模块和后处理模块【3 7 】。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限 元模型。 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟 多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立 体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算 结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有 多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如p c ，s g i ，h p ， 1 1 风电偏航驱动减速机抗疲劳机理研究 s u n ，d e c ，i b m ，c r a y 等m - 4 2 1 。 2 2 1a n s y s 软件的发展历程 a n s y s ，i n c ( n a s d a q ：a n s s ) 成立于1 9 7 0 年，致力于工程仿真软件和技术的研 发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。a n s y s 公司重点开发开放、灵 活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的 统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。a n s y s 公司和其全球网络 的渠道合作伙伴为客户提供销售、培训和技术支持一体化服务。a n s y s 公司总部位于 美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，全球拥有6 0 多个代理。a n s y s 全球有1 7 0 0 多名员工， 在4 0 多个国家销售产品。 a n s y s 公司于2 0 0 6 年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国f l u e n t 公司，于 2 0 0 8 年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国a n s o f t 公司。通过整合， a n s y s 公司成为全球最大的仿真软件公n t 3 4 1 。目前，a n s y s 整个产品线包括结构分 析( a n s y sm e c h a n i c a l ) 系列，流体动力学( a n s y sc f d ( f l u e n t c f x ) ) 系列，电子设 计( a n s y sa n s o f t ) 系列以及a n s y sw o r k b e n c h 和e k m 等。产品广泛应用于航空、 航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化工等众多 行业。 a n s y s 中国是a n s y s ，i n e 在中国的全资子公司，在上海，北京，成都和深圳设有 分公司，负责a n s y s 在整个中国的业务发展和市场推广。目前在中国，a n s y s 电子 设计系列产品( 原a n s o f t 公司产品) 由a n s y s 中国直接负责市场、销售与技术服务等。 a n s y s 机械和流体仿真设计产品以及a n s y sw o r k b e n c h 和a n s y se k m 产品由渠道 合作伙伴安世亚太科技有限公司( p e r ag l o b a l ) 负责销售与技术支持【3 2 1 。 2 2 2a n s y s 软件提供的分析类型 ( 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的 影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以 进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不 同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可进行 的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响 应分析。 ( 3 ) 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可求解静 1 2 坝士掌位论文 态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 。 ( 4 ) 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使 用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和 变形。 一 ( 5 ) 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进 行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变 分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。 ( 6 ) 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力 线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换 器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 ( 7 ) 流体动力学分析 a n s