（机械制造及其自动化专业论文）15mw风电机组齿轮箱关键部件的静力与疲劳寿命分析.pdf

摘要 风能是一种洁净的可再生能源，在当今能源和环境问题日益受到关注的情况下，利用风 能进行发电越来越受到人们的重视。随着科学技术的不断发展，风力发电技术在世界上得到 了飞快的发展，越来越多的兆瓦级大型风力发电机组相继建成并投入运行，风电市场前景异 常广阔。随着风力发电机装机容量日益增大，机组所受的载荷情况也越来越复杂，从而使得 风力机及其零部件的安全问题变得更加突出为了要确保风力机在其设计寿命内能够正常地 运行，首先必须对风力发电机组的关键部件展开设计研究。 齿轮箱是风力发电机组中的一个重要部件，它结构复杂、内部零件众多。齿轮箱设计的 好坏将直接影响到整个机组的正常运行和使用寿命，因此有必要对齿轮箱中关键零部件进行 静态分析和疲劳计算，以确定各个零部件的应力与寿命情况，从中找出最危险的部位，为齿 轮箱设计提供可靠的依据。本课题的研究就是在这样的背景下，与区内某企业合作，运用有 限单元法对1 5 m w 风力发电机组的齿轮箱进行强度计算和疲劳寿命分析，得到了预期的结 果。 本论文对为大型风力发电机组齿轮箱的分析和自主设计提供可靠的科学依据，对企业解 决齿轮箱的安全和寿命问题具有一定的理论意义和工程实用价值。t 。 关键词：风力发电机，齿轮箱，有限单元法，疲劳寿命 a b s t r a c t w m de n e r g yi sak i n do fc l e a nr e g e n e r a t i v ee n e r g y w i t hm o r ea t t e n t i o np a i dt oe n e r g ys h o r t a n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , i tg a i n sm o r er e g a r dt og e n e r a t ee l e c t r i c i t yb yw i n dt u r b i n e w i n d e n e r g yt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l y 耐mt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yu n i n t e r r u p t e dg r o w t h i n a l lo v e rt h ew o r l d , m o r ea n dm o r el a r g ew i n dt u r b i n eg e n e r a t o r sh a v ee s t a b l i s h e dc o n s e c u t i v e l y a n d b r o u g h t i n t oi g l v l c e t h e p r o s p e c t o f w i n d e n e r g ym a r k e t p l a c e b e o o r l c 8v a s t e x t r a o r d i n a r i l y h o w e v e r , t h ed e s i g n a n db u s i n e s s a p p l i c a t i o n o fw i n dt u r b i n ei n 0 1 1 1 c o u n t r y , e s p e c i a l l yl a r g e - s c a l em e g a w a t tp r o t o t y p e s , h a v eal o to fp r o b l e m st ob es o l v e d i no r d e rt o m a i n t a i no v e ri t sa n t i d p a t e ds e r v i c ef i f e ，a n d nw i t l ls t a n dt h ea s s u m e dl o a d sw i t h i nt h e p r e s c r i b e dl e v e lo fs a f e t ya n dp o s s e s sas u f f i c i e n td e g r e eo fd u r a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，i ti s n e c e s s a r yt od e s i g na n dr e s e a r c ho l lt h ec r u c i a le l e m e n t so f w i n dt u r b i n ea tf i r s t g e a r b o xi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tw h i c hh a sc o m p l e xt h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r ya n d m a n yd e m e n t s t h ed e s i g no fg e a r b o xh a sd i r e c ti m p a c tt h eo p e r a t i o no fw i n dt u r b i n ei ni t sn o r m a l o p e r a t i o na n da n t i c i p a t e ds e r v i c el i f e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oc a l c u l a t es t a t i ca n df a t i g u e a n a l y s i s , w h i c hc a nd i s p l a yt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n dl i f e , a n df i n do u tt h em o s td a n g e r o u s l o c a t i o n s t h e r e f o r e ，w ec a ng e tt r u s t yd a t af o rt h ed e s i g no fg e a r b o x u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , t h e p r o j e c ti st oc a r r yo u ts t r e n g t ha n df a t i g u el i f ea n a l y s i st ot h ec r u c i a le l e m e n t so f1 5 m ww i n d t u r b i n e sg e a r b o x ，w h i c hr e s p o n d st ot h en e e do fs o m ee n t e r p r i s e t h er e s u l to fa n a l y s i sa r ea c c o r d 诵1 1 lt h ea n t i c i p a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v e ，i tp 啊d c ss c i e n t i f i ca n dc r e d i b l eb a s i st ot h ea n a l y s i sa n ds d fd e s i g u o nt h eg e a r b o xo fl a r g ew i n dg e n e r a t o r , a n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r o j e c ta p p l i c a t i o nt o e n t e r p r i s e st os o l v es a f e t ya n d l i f ep r o b l e mf o rg e a r b o xi naw a y k e y w o r d s ：w m dt u r b i n e ，g e a r b o x ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f a t i g u el i f e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：互劾 时间： p 尹年岁月，p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：王私 时间： p 9 年步月肜日 导师签名： 喇：刁够明日 宁夏大学硕十学位论文第一章绪论 曼曼! 曼曼曼曼! 曼皇皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 皇曼鼍 一a n alu 皇曼曼曼寰量皇曼曼曼曼璺墨 第一章绪论 全球能源需求持续增长，化石能源仍将占据主导地位；基与当前情况下，预计2 0 3 0 年全 球能源需求比2 0 0 5 年增加5 0 ，与全球能源相关的c 0 2 排放量也将增长5 5 ，这将威胁持续 稳定廉价的能源供应、加剧区域环境污染和气候变化 我国能源环境压力更加突出，主要体现在煤电、油运矛盾突出、扩大进口的压力加大、 城乡煤烟型污染加剧与温室气体排放增加这四方面。 而发展清洁替代能源是解决能源问题的根本途径。风能作为取之不尽、用之不竭的清洁 绿色能源已深受全世界的重视。风力发电技术也随之得到迅猛发展，兆瓦级变速恒频变桨距 风力机组已经成为当今国际社会风力发电机组的主流产品【1 1 。我国风力发电起步较晚，但由 于国家政府的重视，正大力发展风力发电及其相关的技术研究。 1 1 课题研究的背景 我国是利用风能最早的国家。早在二千多年前，就有风力驱动的帆船在水面航行。明代 开始应用风力车灌溉农田，并出现了用了农副产品加工的风力机械。风车在1 2 1 9 世纪是欧 洲广为使用的动力机械。1 8 4 0 年，仅苏格兰和威尔士就有1 万多架风车，荷兰则有8 0 0 0 架 左右，它们多用于工农业生产，如碾米、拉锯、起重、汲水和造纸等。到了1 9 世纪下半叶， 轶路公司的风车用来抽汲地下水供机车使用，居民用其抽水灌溉和饮用。后来，又有人利用 风力发电。2 0 世纪3 0 年代，小型风力发电机在美国已很普遍，直到5 0 年代中期，美国公 司已出售了数以千计的风力发电机，但发电量都很小，只够一户人家使用。到7 0 年代，能 源危机使风车再度盛行起来。风车叶片形状也有很多变化，发电量也有所增加【2 1 。 可见，现代能源、电力技术的发展，使风能的利用在人们还认为她微不足道的时候，便 具备了根植于新时代的强大生命力。多少年来以煤炭、石油为主体的能源结构将被新型能源、 特别是被可再生能源的利用所替代，从而使能源结构从集中转变为分散。如同计算机工业从 大型工业主机转变为个人电脑一样，新的能源技术将走进千家万户。而这种能源的利用和能 源经济方式，将使自然界最丰富的、取之不尽、用之不竭的资源风能走向能源的主导地 位 3 1 。 风能利用的最主要型式就是风力发电，风是风力发电的原动力，它是由于太阳照射到地 球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。据理论计算全球大气中风能总的能量 是1 0 ：k w ，而且是可再生的，这个价值至少比世界上可利用的水能大1 0 倍1 4 1 。 而且风取之不尽、用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过程中，基本不 消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系点来看，在风电设备及其原 材料的生产、制造和安装过程中需要消耗一定能源，进而对环境构成一定的污染，但其排放 量相对于风力机发出的电力微不足道。 宁夏大学硬士学位论文第一章绪论 1 11 全球风电产业发展情况 近年来，国外风电发展非常之快，装机容量以每年3 0 以上的速度增长，到2 0 0 2 年底， 全世界井冈风力发电装机容量已达3 2 0 0 万k w ，其中发展最快的是德国1 2 0 0 万k w 、西班 牙5 0 4 万k w 、美国4 6 7 万k w 、丹麦2 8 8 万k w 和印度1 7 0 万l c w 。近几年世界很多国家 都在制定丈规模发展风电的计划。在开发陆地风力资源的同时不少国家已进行海上风电场 的开发和建设。欧盟1 5 个成员固息目标是到2 0 1 0 年再生能源在电力中的比例选到2 2 ， 丹麦政府预计到2 0 3 0 年风电装机选5 5 0 万k w 相当于全国用电量的5 0 。袁h l 为世界 风能发展情况。 寰1 - - 12 0 0 7 年世界风电机组总装机容量甫十位的置囊 在风力发电机组技术上，现代风力发电机纽正在向轻型、高效、高可靠性及大型化方向 发展。风电行业中最有影响、发展最快的国家主要有美国、德国、丹麦、荷兰、西班牙和英 囡等。欧美田家早已开发出单机容量选兆瓦级的风力机，且技术相对已比较成熟，具有比较 完善的设计理论和丰富的设计经验，而且商业化程度已具相当规模。目前在国际风电处于明 显的优势和主导地位。现代风力发电机组经过几十年的研究和发展，就机组技术而言正逐由 百k w 缎向m w 级乃至多m w 级发展“。 薹塑隧氅蠡 蓬墒圈 9 6 0 年风轮直径24 米 囤卜 一2 0 0 7 年缸l 轮直径l2 6 米 4 0 年问叶轮直径的变他 宁夏大学硕十学位论文第一章绪论 为了提高单位土地面积的发电量，在近二十年的时间内，从国外风机容量由5 5 k w 发 展到5 m w ，叶轮直径由2 4 m 加长到1 2 6 m ，见图1 1 ；可靠性从5 0 提高到9 8 等事实， 可以说明风力发电机组的发展趋势是功率较大、重量较轻、造价较低、可靠性较高。 尽管风电成本受很多因素的制约，但其发展趋势是逐渐降低的随着风电技术的进步， 风电机组越来越便宜和高效。增大机组的单机容量就相对减少了基础设施的费用，而且同样 的装机容量需要数目更少的机组，这也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商经验的丰 富，项目开发的成本也相应得到降低。风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本 上世纪8 0 年代，风机所生产电力的平均价格约为8 8 美分千瓦时，而目前我国风力发 电的上网电价已经达到0 4 - - 0 6 元千瓦时【6 l ，发电成本大为降低，风电行业的前景颇为广阔。 1 1 2 我国风电产业发展情况 我国风能资源储量居世界首位。据保守测算，仅陆上可开发的风电装机容量就达2 5 亿 k w ，与可开发的水电装机容量为同一数量级，再加上近海的风能资源，我国可开发风能资 源估计在1 0 亿k w 以上，具备大规模发展风电的资源条件。随着可再生能源法的公布 及实施，我国对可再生能源的发展目标做出了长期的规划1 2 0 1 5 l o 5 0 2 0 0 52 0 1 02 0 2 0 图卜2我国对可再生能源长期发展规划 早在上世纪8 0 年代，我国就开始利用风力进行发电，1 9 9 5 年，原国家电力部更是对风 力发电提出了设想到2 0 0 0 年我国风机规模要达到1 0 0 万千瓦。但截至目前，我国已建 成的风电场仅有4 0 多个，风电场总装机容量5 6 7 万k w ，仅占全国电力装机总容量的0 1 4 。 现在运行中的大、中型风力机多数依靠国外进口。就在我国风电产业几乎陷于停滞的时候， 许多国家出于环保与可持续发展的考虑，正在迅猛推进风力发电的产业化进程。德国、美国 和西班牙的风电装机容量已分别达到1 4 6 0 万、6 3 7 万和6 2 0 万k w 。就连风能开发起步晚 于我们近1 0 年的印度，风电产业化如今也已初具规模。但是遗憾的是，作为世界上的风能 大国，我国目前尚不具备独立开发大型风力机组的能力【7 j 。 3 ：暑奋耋譬：盖兰鲨：耋：茎錾鲨 1 1 3 论文的意义 宁夏地处西北地区中心位置是全目可利用风力资源较为丰富的地区之一。如表1 2 所 示。我区风力发电机的装机容量，居全国第七位，大力发展凤电符合国家产业政策，也符合 宁夏回族自治区的产业政莆调整宁夏发电集团的“风力发电设备制造基地”的开工建设， 得到了自治区政府的高度重视，已经成为政府重点扶持的项目之一。开发和利用风电，对保 护环境，增加洁j 争能源- 促进宁夏风电产业发展，推进技术进步，培育新的经济增长点都有 着重要意义。 寰卜22 0 0 7 年毳国圭要省份风电璃目情况 目丑臻硇嚣翌日幽区l ：i ! 一 综上所述，国产风力发电设备制造业呈现出蓬勃的发展势头，建立大型风力机的自主设 计和研究开发能力具有十分重要的意义它对宁夏电力行业乃至整个国民经济的影响都是十 分深远的。但风力发电设备部件配套能力不足已严重制约了整机成套生产能力的提升。其 中重要组件一齿轮箱的配套能力尤为不足，特别是国产齿轮箱无论质量还是产能都不能 满足风力发电设备制造业的配套需要。 本课题就是在这样的背景下由宁夏大学与银川重程减速器制造公司合作，基于宁夏同 族自治区科技攻关计划项目i s m w 以上风电机组齿轮箱有限元分析及整机虚拟样机、 模拟试验的研究展开研究的。 12 论文的目的 风电增速齿轮箱是风力发电机组的关键部件，它位于叶轮和发电机之间，将叶轮受风力 作用旋转而产生的动力传递给发电机发电同时将叶轮输入的较低转速f 兆瓦级机组一般低 于2 0 r r a i n ) 转变为满足发电机所需的转速。因此风力发电齿轮箱是一种受无规律变向载 荷的风力作用及强阵风冲击的变载荷条件下l ：作的低速、重载、增速齿轮传动装置。风力发 电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海边等风能较大且周围无遮挡物之处，发电机、齿轮 箱等安装在机组塔架之上狭小的机舱内距地面几十米其至一百多米高。常年经受酷暑严寒 宁夏大学硕十学位论文第一章绪论 量曼曼曼曼量曼曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍量皇寰_ _ _ i ii|i iil _ i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼 和极端温差的影响，自然环境恶劣，交通不便，修复十分困难；而且故障期一般出现在发电 的高峰期，齿轮箱一旦出现故障，将严重影响到风场的经济效益，因此，对齿轮箱的可靠性 和工作寿命提出了很高的要求l s j 。 我国某风电场中安装的风力发电机组多为进口机组，因为在恶劣环境下工作。其损坏率 高达4 0 巧0 。据西班牙一家风电公司对风力机主要部件的故障统计：2 0 0 1 年齿轮箱故障 占4 8 ，发电机2 l ，叶片3 1 ：2 0 0 2 年齿轮箱5 6 ，发电机2 7 ，叶片1 7 ；2 0 0 3 年齿轮箱6 0 ，发电机2 9 ，叶片1 1 【9 l 。可见，齿轮箱故障是所有风力机故障中最主要 的部分，对风力发电机齿轮箱进行校核意义重大 齿轮箱的常见故障分类如下表。 表1 - 3 齿轮箱的常见故障 常见故障位置现象 箱体结合面渗漏油、油温低或者过热、油位低或者压力低等 传动轴打滑，断轴等 齿轮轮齿折断，齿面点蚀、胶合等 轴承 轴承温度变化异常，轴承位置异常等 各润滑点处油温高，润滑油黏度变低，供应不足等 通过表l - 3 可以明显看出，箱体、各传动轴、齿轮等易损部件或者关键部件一定要经过 严格的结构分析来校核强度并优化 经过多年的努力，我国大型风力发电机组的研制开发有了长足的进步。我国风电目前的 目标是实现风力发电技术装备国产化，提高我国风力发电设备的制造能力和水平，降低风力 发电成本，重点进行总体设计，不断改进和完善整机及零部件的性能和产品的市场竞争能力， 推动我国风电技术大规模商业化发展。随着大功率风力机的出现和风力发电设备国产化进程 的发展，有限元数值分析理论和方法已逐步应用于风力机结计中，利用有限元法分析风力机 动、静态特性是目前研究的热点，而风力机结构动静态性是风力机结构分析研究的重要方面 也是基础。 目前，在风力发电机组的设计中广泛采用c a d c a m c a e 技术，实现全三维设计和机 械特性的有限元分析，可以使一些设计缺陷在设计阶段就被发现，使风力机的设计无论在结 构上还是在设计的合理程度上都更趋完善【1 1 1 。同时加强风力机产品的优化设计，不断更新 的产品，形成风力机的系列化生产，提高风力机标准化、通用化、系列化水平，使之适合于 各种不同气候条件，从而促使风电技术向国际先进水平和大规模商业化方向发展。大量采用 计算机进行三维造型、有限元分析、载荷性能计算、疲劳计算等方面，可以在引进消化国际 先进技术的基础上，进行创新提高，开发出具有自主知识产权的风力发电设备。 齿轮箱是整个风力发电机组重要的传动和承载部件，它要有足够的强度和刚度，以保证 机组在各种载荷情况下能正常运行。而且还要保证机组在遭受一些恶劣外部条件，如台风或 暴风袭击影响时的安全性。另外，方面齿轮箱整体要满足2 0 年的使用寿命，主要零件都 需要通过疲劳寿命校核。本文在齿轮箱载荷分析计算的基础上，对风力机疲劳问题进行了研 究，旨在探索风机关键零部件疲劳分析的方法。本文建立风力机齿轮箱的模型，并利用有限 元分析软件a n s y s w o r k b e n c h 对风力机齿轮箱的些关键部件进行有限元析。 5 宁夏大学硕十学位论文 第一章绪论 ! i ii 一一一 一一一一一 一i ； 一m _ i n l 一_ 一一一m 皇曼皇璺曼舅舅曼皇鼍曼暑 1 3 论文的主要内容 根据银川重程减速器制造公司的要求，本文重点对齿轮箱进行有限元分析，内容包括以 下几方面： ( 1 ) 根据有限元模型建立的基本原则和方法，按照零件生产图纸，建立1 5 m w 风力 发电机齿轮箱的实体几何模型，并导入至有限元分析软件生成有限元模型； ( 2 ) 运用有限元法，计算齿轮箱中关键零部件在承受各种载荷情况下的变形和应力大 小及其分布，进而对它们进行了极限强度校核和结果分析； ( 3 ) 对齿轮箱中关键零部件进行疲劳寿命分析，以确保机组的使用寿命符合相关要求。 6 茎量銮：量兰兰三耋誊兰墨圭耋耋盐曹銮些耋詈 第二章齿轮箱主要部件的实体造型 2 1 齿轮箱的工作原理及结构简介 ，n f 片 ，导流罩 ，轮毅 变桨电机 o 变桨轴承 。变桨控制柜 o 主轴承座 。主轴 0 偏航电机 口机舱底庠 口齿轮箝 0 联轴嚣 0 电机 0 主电控柜 0 提升机 0l l 脆罩 0 塔架 0 偏航轴承 0 液压站 目2 - i 眦& q m ! 镕镕构目 风力发电机组可分为无齿轮箱驱动的直联式和齿轮箱驱动式两种。目前，齿轮箱驱动型 有一定的成本优势，仍是固际上采用的主流结构型式。齿轮箱驱动式风力发电机组的具体结 构如图2 - 1 所示齿轮箱布置在叶轮和发电机之间，它将叶轮受风力作用旋转而产生的动力 传递给发电机发电，同时将叶轮输入的根低的转速转变为满足发电机所需的转速1 0 1 兆瓦及风力发电机组齿轮箱的齿轮传动系统一般具有三级传动装置：一级行星传动、两 级平行传动或两级行星传动、一级平行传动。本文中的齿轮箱采用前者的传动方案，第一级 为行星架、内齿圈、行星齿轮和太阳齿轮组成的输入级齿轮副，第= 级为低速轴齿轮和中问 轴组成的齿轮副，第三级中间轴齿轮和高速轴组成的输出级齿轮副。第一级为内啮合传动 另两级为外啮合传动，其传动倚图如图2 - 2 所示。三级增速的传动比和效率见表2 - 1 。 传动转速( r a d , m i n ) 行星恃动缎 氍速轴一中问轴 中何轴高速轴 宁夏大学硕十学位论第二章齿轮箱主要部件的实体造型 曼曼曼曼皇曼皇曼鼍量量量曼曼鼍曼量g 1 1 一一一, i m 皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 量曼曼蔓蔓皇皇 豸 _- 一i - 一士 一 一t o ： 一= i 一 蔼 垒 。 弋 灸 高速轴 中间轴 中间轴齿轮 低速轴 低速轴齿轮 太阳轮 行星架 行星轮 内齿轮 图2 - 2 风力发电机齿轮箱传动简图 2 2 s o l i d w o r k s 的几何造型 s o l i d w o r k s 公司为达索系统( d a s s a u l ts y s t e m e ss a ) 下的子公司，专门负责研发与销 售机械设计软件的视窗产品。s o l i d w o r k 为该公司推出的优质计算机辅助设计工具，它是窗 口环境下发展出来的，可以保证与其它c a d 图案件共同作业【1 3 】。 2 2 1 几何造型概述 齿轮箱中的的主要零件是根据厂家提供的二维c a d 图纸绘制出的，但为了保证顺利对 这些零件进行有限元分析，本文对这些零件进行了适当的简化。 s o l i d w o r k s 中建好的c a d 实体模型将会导入c a e 软件中，导入过程中，程序需要解 决好几何图形( 曲线与曲面的空间位置) 和拓扑关系各图形数据的逻辑关系这两个关键问题。 其中几何图形的传递相对容易实现，而图形间的拓扑关系容易出现传递失败的情况。数据传 递面临的一个重大挑战是，将导入c a e 程序的c a d 模型改造成适合有限元分析的网格模 型。在很多情况下，导入c a e 程序的模型可能包含许多设计细节，如细小的孔、狭窄的槽， 甚至是建模过程中形成的小曲面等。这些细节往往不是基于结构的考虑，保留这些细节，单 元数量势必增加，甚至会掩盖问题的主要矛盾，对分析结果造成负面影响f l 钔。 因此，在s o l i d w o r k s 中建模时，零件的几何模型应该作适当的简化，简化的原则是在 保证计算精度的前提下对一些没有重要作用或者承受载荷情况并不关键的部位作简化，如细 小的孔、狭窄的槽、小的圆角和倒角等细微的特征，以提高转换精度。 2 2 2 关键零部件的几何造型和实体装配 齿轮箱中，需要进行分析、校核的零件包括箱体、扭力臂、行星架、行星轴、太阳轮、 8 耋曼奎茎堡圭耋彗：乏三：誊兰要圭：篓錾暨耋鉴茎茎 低速轴、中间轴、高速轴和他们各自对应的轴承、齿轮等。风机发电机齿轮箱中部分零件和 齿轮箱的整体装配图如下。 目23 目机发电机齿轮箱自e 盼零件圈 图2 4 风力发电机齿轮箱整体装配固 2 3 本章小节 本章舟绍了风力发电机齿轮箱的用造和结构采刚三维c a d 软件s o l i d w e r k s 生成齿轮 箱中主要零件的三维实体模犁，为进一步分析打下了基础。 宁夏大学硕十学位论文第三章结构有限元分析方法与c a e 软件 曼葛m m m m m 一一一一； i l l _ 一i 鼍皇曼皇曼曼詈鼍曼曼舅舅曼! 曼 第三章结构有限元分析方法与c a e 软件 在工程实际应用中，采用传统强度理论对零部件进行校核，有着一定的局限性，甚至是 无法进行的，但用有限元方法则容易计算得多。况且，解析法建立的数学模型必须简化处理， 解析解误差太大，而数值解可以克服这些矛盾。目前，工程技术领域内的数值模拟方法中最 常用的就是有限元法【l s 】。 3 1 有限元分析方法及其应用 有限单元法最先应用于航空工程，现己普及到机械、汽车、造船、建筑等各种工程技术 领域，并逐步拓展到流体、电磁声、振动等学科【1 6 i 。 有限元分析的基本步骤如下【1 7 1 ： ( 1 ) 建立求解域并将其离散化为有限单元，即将连续问题分解成节点和单元等个体问 题： ( 2 ) 假设带便单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数； ( 3 ) 建立单元方程； ( 4 ) 构造刚度矩阵； ( 5 ) 施加边界条件、初始条件和载荷； ( 6 ) 求解线性或非线性的微分方程组。得到节点求解结果； ( 7 ) 得到其他重要信息。 3 2 软件介绍 3 2 1 a n s y s 系列产品简介 a n s y s 系列产品包括以下几部分：( 1 ) 结构分析体系( 结构分析模块m e c h a n i c a l 、冲击 爆破模拟模块l s d y n a 等) ；( 2 ) 流体力学分析体系：( 3 ) 电磁场分析体系：( 4 ) 仿真模型建造 系统( a n s y s 协同仿真环境w o r k b e n c he n v i r o m e n t 、几何实体建模工具d e s i g n m o d e l e r 和 c f d 网格雕塑模块i c e mc f d 等) ；( 5 ) 行业化定制模块( 快速分析工具d c s i g n s o a c e 、快捷 优化工具d e s i g n x p l o r e r ) 。除了以上部分，另外还有设计人员快捷分析工具、多目标快速优 化工具和客户化开发平台等c a e 产品【l 引。 运用a n s y s 进行结构分析，结构分析的知识必不可少。结构分析主要包含以下几种： 1 静力分析：用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等，包括线性和非线性分析。 2 模态分析：用于计算结构的固有频率和振型。 3 谐响应分析：用于计算结构在随时间正弦变化载荷作用下的响应。 4 瞬态动力分析：用于计算结构在随时间任意变化载荷作用下的响应，并且可以计算所 有的非线性因素。 5 谱分析：是模态分析的扩展，用于计算由于响应频或者p s d ( 随机振动) 输入而引起 1 0 宁夏人学硕“ ：学位论文第三章结构有限元分析方法与c a e 软件 的应力和应变。 6 屈曲分析：用于计算屈曲载荷和屈曲模态。a n s y s 可以进行线性( 特征值) 屈曲分 析和非线性屈曲分析。 7 显式动力分析：a n s y s l s - d y n a 可用于计算高度非线性动力学问题和复杂的接触问 题。 3 2 2 a w b 软件概述 w o r k b e n c h 作为a n s y s 的新一代多物理场协同c a e 仿真环境其独特的产品架构和 众多的支撑性产品模块为各种类型研发机构的复杂c a e 应用提供了非常优秀的协同环境 它给a n s y s 的求解提供了强大的功能。这种环境为c a d 系统和企业的设计提供了全新的 平台，保证了最好的c a e 结果。它提供了统一的开发和管理c a e 信息的工作环境。 a n s y s - w o r k b e n c h ( 以下简称为a w b 或w o r k b e n c h ) 包括了c a e 建模工具d m ，分析工 具d s ，优化模块d x 等。w o r k b e n c h 还提供了这些环境之间相互操作和控制信息传递的流 程，并且能够方便地切换到经典a n s y s 环境【l 引。 a w b 有较强的建模功能，但在处理一些复杂的模型时，尚有较大的难度，在a w b 环 境中建立复杂模型会浪费很多时间，而s o l i d w o r k s 有较强的建模功能，特别是在建立复杂 结构时非常方便，因此本文用s o l i d w o r k s 建立模型，然后将模型导入a w b 中进行分析。 相对于a n s y s ，w o r k b e n c h 独特的产品架构和众多的支撑性产品模块为各种类型研发 机构的复杂c a e 应用提供了非常优秀的协同环境。如果直接将c a d 的模型导入a n s y s 会 丢失很多几何信息，效果不好。现在w o r k b e n c h 可以完美的解决此问题，因为它和大部分 大型c a d 软件是无缝连接的【2 0 】。 a w b 中有专门的插件用以与c a d 软件联接，目前为止a w b 所支持的c a d 版本有： p r o e 、i - d e a s 、u g 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 和s o l i de d g e ，其它c a d 软件可通过i g e s 、p a r a s o l i d 等格式输入a w b 中1 2 1 】 3 3 本章小结 本章介绍了有限元的基本思想，并提出了将三维模型导入有限元分析软件a w b 中，从 而生成零件的有限元模型的方法。通过这一方法，避免了在有限元分析软件中繁琐的建模过 程，节省了时间，并能得到优质的零件有限元模型 宁夏大学硕l 学位论文第四章齿轮箱中关键零部件的静力学分析 第四章齿轮箱中关键零部件的静力学分析 齿轮箱中的主要零件包括两大类：铸造件和锻造件铸造件包括扭力臂、行星架和箱体 等，锻造件主要包括各个齿轮和轴。本文在铸造件中将以扭力臂为例、锻造件中以太阳轮和 低速轴为例，介绍齿轮箱关键零件静强度分析的过程 有限元分析首先要将实际工程系统描述为相应的数学模型，换句话说，分析必须针对一 个物理原型建立的准确的有限元模型。有限元模型包括所有的节点、单元、材料属性、实常 数、边界条件，以及其他用来表现这个物理系统的特征。利用有限元法分析零件的静强度和 疲劳强度，在建立有限单元模型之前必须先解决几项关键的问题。 有限元分析结果的准确性与所建立的模型直接相关，模型既要与实际想吻合，又要尽量 减少计算时间，减低设计成本。所以在建模时应注意以下几个问题【2 2 】： ( 1 ) 合理建立模型，结构的简化抓住主要矛盾，确保所需的计算精度。 ( 2 ) 选择合理的单元类型。在进行三维实体产品的网格划分时，六面体的分析结果比 四面体好，采用六面体离散的单元数远远小于四面体单元离散的单元数。六面体单元具有易 于辨认的优点，在结构比较简单的场合应用广泛，但对于复杂结构其难度比较大，因为在采 用六面体进行网格划分时，要求过渡扭曲的面要少，并将曲率过大处处理为过渡网格，生成 的单元总数少，从而导致分析精度下降。在此情况下，常采用四面体单元进行网格模型划分。 ( 3 ) 需控制单元细化密度。进行动态分析时，由于要考虑单元的质量分布，在关键的 区域要适当加密单元密度。 4 1 静力学分析的基本步骤 图4 1 静力学分析步骤 1 2 宁夏大学硕十学位论文第p n q 章亡旨轮箱中关键零部件的静力学分析 静力分析是工程结构设计中使用最为频繁的分析，主要用来求解结构在与时间无关或者 时间作用效果可忽略的静力载荷( 如集中分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等) 作 用下的响应，并得出所需节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力和应变等。工 程结构设计中，经常采用静力分析来分析结构承受极端载荷时的响应，得到相应的最大应变、 应力和位移，进而讨论结构的强度问题。 零件的静力学分析步骤如图4 _ l 所示。 4 2 极限强度分析 风力发电机组结构设计应以承载零部件结构完整性的验证为基础。零部件的极限强度需 通过计算或实验验证。 4 2 1 局部安全系数 极限强度分析用的应力函数s 通常定义为结构响应的最大值，结构抗力r 一般对应的 是材料抗力的最大允许设计值。不超出最大极限状态的公式为： 丫n s ( f d ) r ( f a ) ( 4 1 ) 丫n 为失效后局部安全系数，丫n 用来区分一类、二类零件： 一类零件安全系数：用于“失效安全”结构件，结构件的失效不会引起风力发电机 组重要零件的失效。 二类零件安全系数：用于“非失效安全”结构件，结构件的失效会迅速引起风力发 电机组重要零件的失效。 为了保证载荷和材料的安全设计值，可采用式4 2 和式4 3 确定的载荷局部安全系数和 材料局部安全系数。 对于强度分析，零件安全系数y 。均为1 0 。 f d 为载荷的设计值，1 c l 为材料特性设计值。 这两个系数取决于载荷和材料的不确定性和易变性、分析方法的不确定性以及失效零件 的重要性。为保证载荷与材料的安全设计值，载荷与材料的不确定性和易变性可用以下公式 确定的载荷局部安全系数进行补偿： fc-yffk(4-2) 7 f _ 一荷局部安全系数； r 一载荷的实际值。 f ：f d r m ( 4 _ 3 ) 卜材料性能特性值； 丫广材料局部安全系数。 载荷局部安全系数旨在考虑载荷实际值出现不利偏差的可能性与载荷模型的不确定 性。 材料局部安全系数旨在考虑材料性能出现不利偏差的可能性、零件结构抗力或结构承载 能力计算不准确的可能性、几何参数的不确定性和材料性能与试验样品所测性能之间的差 别。 1 3 宁夏大学硕 ：学位论文第四章岗轮箱中关键零部件的静力学分析 当同时作用多个载荷时，公式变为： s mf a ，翔如) 4 2 2 载荷局部安全系数的选择 当不同来源的载荷可以分别计算时，其载荷局部安全系数最小应为表4 1 规定值。 表4 - 1载荷局部安全系数 ( 4 - 4 ) 不利载荷有利载荷 载荷来源 设计工况类型 所有设计工况 正常和极限非正常 运输和安装 气动1 3 51 11 50 9 运行1 3 51 11 50 9 重力1 1 1 3 5 1 11 11 2 5 0 9 其它惯性载荷 1 2 5 1 11 3o 9 1 ) 当质量不是由称称重确定时 对于载荷局部安全系数来说，不同来源的载荷有不同的系数。齿轮箱中各个零件主要承 受运行载荷和重力载荷，对于这两种载荷，载荷局部安全系数竹= 1 3 5 t 2 3 1 。 4 2 3 材料局部安全系数 确定风力发电机组构件的结构完整性时，可采用国内或国际有关材料设计标准。当考虑 各种类型的不确定性时，如材料强度的固有可变性、加工控制范围或加工方法等，不同的标 准将材料局部安全系数丫m 分为若干个局部安全系数。文献【2 3 】给出的材料局部安全系数为 “一般材料系数”，它仅考虑强度参数的固有可变性。如果材料标准给出其他不确定性局部 安全系数，则也应加以考虑。 表4 - 2 材料局部安全系数 p 艿一1 0 6 = 1 5 万；：o 6 2 5 6 ；3 0 多 9 91 0 21 0 51 0 71 1 21 1 7 9 8 1 0 6 1 0 91 1 31 2 01 2 7 9 51 1 01 1 61 2 3 1 3 21 4 3 9 01 1 41 2 21 3 2 1 4 51 6 0 8 01 1 91 3 01 4 4 1 6 21 8 2 材料局部安全系数应根据充分有效的材料性能试验数据确定。考虑到强度参数的固有可 变性，当使用9 5 置信度及9 5 存活率的典型材料性能时，所用的材料般局部安全系数 应不小于1 1 。如果要获得其他存活率p ( 但置信度为9 5 ) 和( 或) 变异系数6 为l o 或 高于1 0 的典型材料性能，应根据表4 2 选取有关的一般系数。为了由此一般系数导出综合 材料系数，必须考虑尺寸效应以及由于外部环境即紫外线辐射、湿度及不能正常发现的缺陷 造成的材料强度容限的降低。 当朱规定材料性能存活率p 和变异系数6 时，可假定p - - 9 5 及6 = l o 。齿轮箱中零 1 4 茎耋銮：圭茎堡兰： 茎詈盖誊兰兰：盏：薹兰曹兰盘：2 篓 部件的材料局部安全系数取一般材料系羲t _ = 4 3 扭力臂的静力学分析 扭力臂是风力发电机齿轮箱中的重要部件扭力臂一般是铸造件它将齿轮箱与机舱底 座相连，承担整个齿轮箱的重量和交变载荷一旦发生损坏将造成风机失效甚至损坏。扭力 臂尺寸设计往往是根据厂家的经验敷据而定，并没有理论、公式可以套用，无法通过传统方 法计算其工作状况下的应力、变形等数值。本节将介绍根据有限单元法使用a w b 这一软 件进行扭力臂静强度分析的方法。 4 3 1 扭力臂的材料参数 扭力臂所用的材料为q t 4 0 0 ，本章主要研究零件的静力学下的机械性能，只需查找与 静力分析相关的参数。壹得f f r 4 0 0 的屈服强度为2 5 0 m p a 抗拉强度为4 0 0 m p a 密度为 7 3 0 0 k g 缸3 ，弹性模量为1 5 5 g p ，泊橙比为0 2 7 。将这些参数输入a w b d s h a g n c e f i n g d a t a 中，如图4 - 2 所示口” f l l e v i e wu n i t sh e l p _ h u 日i m p o r t - 墒e r t j 麓 h l i d “ p r 。j e c t 4d n o v t r v i ” 4 3 2 嗣格划分 ：jt ”一( 0 ) jc c t i 。nc o e f f ie i 9 ( e a ty j o w s ) 4 j h e a lg r t “州) j h e a t f l 一0 ) l 墨四l 眄三三二至三 lb 1 = b o d u k 1 15 5 e ”0 5 m ：三l j ij = h ”s 耐# h m o2 丁 睦l i ed m i 口 t2 e - o k d _ k i lj e t l i m d 目i o 1 。c 匿【 l 屠萋蔷司 里4 - 2 啊中材料参数的袖 网格的质量对分析的结果有重要的影响，阿格划分越细、结点越多，计算结果越精确。 不过阿格加密到一定程度后计算的耩度的提高就不明显了，而且越密集的网格就意味着需要 花费更多的计算时阃。所以网格划分的原则是：对零什受力处和应力梯度变化明显扯( 如应 力集中处) 细化回格，对应力，变形变化平缓的区域不必细化网格。 嚣 ：耋g 兰：i ! ：塑! ：茎：l 錾2 9 4 | 坌霍 置4 - 3 扭力臂毋梧捌分 a w b 软件中默认利用1 0 节点的四面体单元和2 0 节点的六面体单元划分单元。由于 该扭力臂的尺寸较大，不宜选用过细的网格划分，所以对其采用a w b 默认的厢格划分，并 在可蘸发生戍力集中的圆角过度处细化网格 2 7 1 。回格划分的结果如圈”所示共有5 2 4 4 9 个单元，8 7 7 9 2 个节点。 4 3 3 扭力臂的载荷及边界条件 文献【2 3 】中规定，齿轮箱设计需要考虑咀卜j l 种载荷： i 齿轮箱中传递扭矩的零件在