风力发电机组轮毂极限强度的有限元分析
风力发电机组轮毂极限强度的有限元分析
文章是基于有限元理论，对兆瓦级风力发电机组的轮毂进行强度及疲劳计算。
轮毂是风力发电机中的重要组成部分，铸造而成，是将机械能转换为电能的核心部件，其形状复杂，轮毂的设计质量会直接影响到整个机组的正常运行及使用寿命，在其受复杂风载荷的作用下，其强度和疲劳耐久性成为此行业关注的焦点。
此分析利用大型有限元分析软件Ansys对轮毂模型分析。
模型中包含轮毂、主轴及叶片，从轮毂的应力分布情况，从中找出最危险的部位，为轮毂的设计提供可靠依据。
标签：风力发电机；轮毂；有限元分析；极限强度
1 绪论
1.1 课题研究背景
经济发展过程中，我国作为世界上人口最多的发展中国家，能源消耗量不断增加，传统化石能源无以为继，面临的能源开发利用的资源约束越来越多，环境压力也越来越大。
如今，生态环境承载能力弱、资源相对紧张。
传统能源利用导致的环境问题越来越严重，以及全国范围内的雾霾天气都在提醒我们要努力做到全面、协调、可持续发展，以符合当今国情。
在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的瞩目。
1.2 轮毂在大型风力发电机组的重要性
在大型风力发电机组中，轮毂是核心构件，其不仅承担着与驱动连的链接，而且将叶片所受的风载荷通过主轴传递给齿轮箱，承担着风力发电机组容量增大而带来的更大的负荷。
它需要有足够的强度和刚度，以保证机组在各种工况下能正常运行。
由此可看出轮毂在风力发电机组的设计和制造过程中的重要性。
2 轮毂的强度校核计算
2.1 轮毂模型介绍
轮毂模型结构见图1
此机组风轮由三片叶片对称安装在轮毂上构成，叶片间的夹角为120°。
利用CAD绘图软件Solidworks，绘制了轮毂的三维实体几何简化模型。
在保证计算精度的前提下，由于小的孔类、圆角及小凸台类结构对计算结果影响很小并且不是关键部位，已经略去。
叶片产生的气动载荷以及由于风轮旋转和机舱对风轮转动引起的离心力、惯性力和重力通过三片叶片连接点传递到轮毂上，这些载荷和轮毂自身的重力构成了轮毂载荷。
最终，轮毂简化后的几何模型如图1所示。
按照轮毂传力关系，我们应在Ansys中建立出叶片和主轴。
叶片与主轴的接触方式我们可有两种选择，一种是以共节点的方法视轮毂、主轴和叶片为一体，此种方法的优点是计算精度高，网格较为匹配。
第二种方法是利用接触即Ansys 中的contact，此种方法的优点是，不用考虑网格之间的匹配关系，划分网格较为容易，但轮毂网格已经进行加密，而叶片处不是计算所关心的部位，网格的划分较为粗糙，接触时易发生穿透现象，避免此现象的发生需要不断调节叶片的网格。
在本次计算中，我们所采用的方法为第一种。
2.2 材料介绍
在有限元分析计算中，结构静强度分析主要考虑的是材料的弹性模量和泊松比。
本文采用的轮毂为铸件结构，其材料为球墨铸铁QT400-18AL，具有良好的低温冲击韧性，铸造性能好，耐磨、耐热、耐腐蚀性较好；成本低等。
其杨氏模量为1.73E+11N/m2，泊松比是0.3，抗拉强度3.9E+8Pa，屈服强度2.5E+8Pa，在风力发电机组中大部分铸件都采用此材料。
主轴采用的材料为42CrMo，其是合金结构钢，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限。
叶片的材料为高强玻璃钢，在本次分析中视为各相同性材料，此材料质轻、高强、耐腐蚀等优良性能。
主轴和叶片的杨氏模量为2.06E+11N/m2，泊松比是0.3。
在本文中都采用国际单位制。
2.3 分析采用的坐标系
坐标系引用GL规范第四章中，轮毂坐标系，轮毂迎风方向为X正方向，Z 为塔架竖直向上的方向为正。
2.4 轮毂有限元网格的划分
作为有限元仿真分析，模型的网格划分质量直接影响着后续分析结构的准确程度。
在本次分析中，轮毂采用的是三维实体单元，由于轮毂与叶片连接处圆角及相贯特征较多，易出现应力集中现象，应在这个部位进行网格加密。
在单元的阶次上采用二次单元。
所以，此次分析采用单元类型为二次十节点四面体单元solid187。
在分网前处理模型，将轮毂与叶片连接处的根部加密，在所要切割部位做工作平面坐标，利用坐标系的XY平面切分輪毂模型。
在不需要加密的部分，可选择一个较大的尺寸来划分网格，在轮毂的厚度方向上至少保持3-5个单元以上。
在加密处，单元尺寸要以小的圆角或易出现应力集中部位保证3个单元。
2.5 轮毂计算的边界条件
轮毂的计算边界条件是模拟轮毂在静态环境下，风载荷通过叶片传递给轮毂，而在Ansys中，在叶根中心处分别建立节点与叶片的端部做接触，此处为刚性接触。
由Bladed软件计算出的此计组的极限工况载荷分别施加在这三个节点处。
在三个节点处要分别建立局部坐标系以叶片方向为Z轴，主轴的方向为X
轴，由右手定则确定Y轴。
2.6 极限强度计算
根据轮毂的实际安装情况，轮毂所受的力通过主轴传递给齿轮箱，主轴端部施加全约束。
将各载荷施加在叶根中心节点上。
计算采用极限工况2My-min，1Mx：-443，1My：-428，1Mz：616，1Fx：-3.5，1Fy：32，1Fz：358，2Mx：-1477，2My：-4615，2Mz：-29，2Fx：-193，2Fy：64，2Fz：230，3Mx：921，3My：209，3Mz：1.5，3Fx：12，3Fy：-88，3F
z：349。
单位为KN和KNm
2.7 计算结果
根据工况载荷的计算，得出轮毂的V.Mises应力为195Mpa，应力最大位置为轮毂叶根处。
最大变形量为4.87mm。
根据V.Mises应力塑形材料标准，安全系数取1.1。
轮毂材料的屈服应力为：
此轮毂在此极限工况下极限强度合格。
结果云图如图2：
参考文献
[1]中国船级社风力发电机组规范.
[2]成大先主编.机械设计手册.第5版.北京：化学工业出版社，2007.
[3]美国ANSYS公司北京办事处.ANSYS非线性分析指南，1998.
[4]哈尔滨工业大学理论力学教研室编.理论力学.第6版.北京：高等教育出版社.。
850kW风力发电机轮毂有限元分析
４ 结束 语
本文 针对 直 列 四缸 发 动机 应用 ＭＡＴ ＡＢ软件 编 写 了其 平衡 分 析 及平 衡 机 构设 计 程序 ， 程序 适用 Ｌ 该 于常见 直列 四缸发 动机． 应用 ＭＡ Ｌ Ｂ 的 Ｇ 模 块建立起 人机交互 界面使得分 析和设计过 程更加人性 化． Ｔ Ａ ＵＩ
参 考 文 献
＊ 收 稿 日期 ：０ １０ —９ ２ １ －１１
作 者 简 介 ； 甲红 （９ ３ ）男 ， 西 省 武 功 县人 ， 授 ， 士 ， 究 方 向 ： 械 传 动 系 统 、 械设 计 理 论 及 应 用 郑 １６ 一 ， 陕 教 硕 研 机 机
基 金 项 目 ： 西 省 自然 基 金 项 目 （ 号 ；Ｏ Ｏ Ｍ７ ｌ ） 陕 西 省 教 育 厅 项 目（ 号 ：Ｏ ＯＫ４ ８ 陕 编 ２ ｌＪ Ｏ ７ ， 编 ２ＬＪ １）
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第 ２期
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风力发电机组轮毂的结构强度优化与仿真
风力发电机组轮毂的结构强度优化与仿真随着环保意识的提升和可再生能源的重要性日益凸显，风力发电逐渐成为人们关注的焦点。
而风力发电机组的核心部件之一——轮毂的结构强度优化与仿真尤为重要。
本文将围绕这一主题展开讨论。
### 第一部分：风力发电机组轮毂的结构设计风力发电机组轮毂是支撑叶片的重要组成部分，直接影响到整机的性能和稳定性。
在进行轮毂结构设计时，需考虑以下几个方面：首先是材料选择。
轮毂需要具备较高的强度和刚度，同时要尽可能减轻重量以降低成本。
常见的轮毂材料包括碳纤维复合材料、铝合金等，选择合适的材料对于提升轮毂的结构强度至关重要。
其次是几何形状。
合理的几何形状设计可以降低应力集中，提高轮毂的抗风压性能。
设计过程中需考虑内部空间的合理利用以及与其他部件的协调配合，确保整机运行时的稳定性和安全性。
最后是细节设计。
轮毂上的螺栓、连接件等细节部分也是结构强度的重要组成部分。
合理设计这些细节部分可以有效减少应力集中，提高轮毂的使用寿命和安全性。
### 第二部分：轮毂结构强度优化结构强度优化是指通过优化设计参数和结构形式，使轮毂在保证强度的前提下尽可能轻量化。
在进行结构强度优化时，可以采用有限元分析等方法进行仿真模拟，通过改变材料、几何形状等参数，不断调整设计方案，最终达到最优化的结构设计。
优化的目标主要包括提高轮毂的抗风压性能、减轻重量、降低生产成本等方面。
通过结构强度优化，可以最大限度地发挥轮毂的性能，提高风力发电机组的工作效率和稳定性。
### 第三部分：仿真与验证在进行结构强度优化的过程中，仿真与验证是非常关键的一步。
通过有限元分析等仿真技术，可以对轮毂的受力情况进行模拟，分析应力、位移等参数，为优化设计提供数据支持。
同时，还需要通过实际的试验验证来检验仿真结果的准确性。
通过在实验室或风力发电场进行试验，可以验证轮毂的结构强度是否符合设计要求，进一步完善设计方案。
结合仿真与验证，不断优化轮毂的结构设计，最终实现风力发电机组轮毂的结构强度优化，提高整机的性能和可靠性。
MW 级风力发电机轮毂强度分析
图 4 载荷输入模型 Fig14 Model of loading on BLADE
表 1 工况 载荷表 Tab11 Working condition and loading
最大载荷 Fx Fy Fz
工况
118 i 611 e 115 i
叶片 1 14311
15417 52113
叶片 2 14415 - 18315
体单元 ,叶片与轮毂连接面的中心与螺栓中心及 螺栓长度用多点约束梁单元连接.
应用有限元素法 ,静力分析方程可归纳为
KU = F
(1)
式中 : K ———结构刚度矩阵 ;
U ———位移向量 ;
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Mz
711 h - 14918 - 14819 - 15017
引起应力集中. 因此轮毂设计的好坏将直接影响 到整个风力发电机的正常运行和使用寿命 ,有必
3 有限元分析
要对轮毂进行受力分析以确定轮毂各个部位应力 分布 ,为轮毂的优化设计提供依据[6 - 7 ] .
311 有限元模型 轮 毂 有 限 元 模 型 的 建 立 是 通 过 SOL ID2
时仿真器 ,模拟出风力机在各种不同的运行情况 下叶片及轮毂的动态性能 ,进而筛选出载荷计算 报告中的极限值作为应力初始值 ,对沈阳工业大 学研制的 1 MW 级风力发电机的轮毂进行有限元 分析 ,获得了比较好的效果 ,同时缩短了设计周 期 ,降低了设计费用.
1 结构及载荷简介
本文以 1 MW 机型 SU T21000 的轮毂部分为 研究对象 ,分析轮毂的强度及轮毂与叶片间连接
风力发电机组有限元分析
风力发电机组有限元分析(FEA)Finite Element Analysis (FEA) for wind turbines2007年7月4日4th July 2007风机的有限元分析（FEA）–越来越重要FEA for wind turbines -increasingly important仅仅是几年前，有限元分析还仅仅用于相对简单的模型的计算。
Only a few years ago, FEA was used for relatively simple models目前：Presently:•越来越多的风机部件使用有限元进行分析Increasing number wind turbine components analysed using FEA•越来越多的细节在有限元模型中的体现，例如Increasing amount of detail in FE model for instance°变接触角轴承的表示法variable-contact-angle bearing representation°部件间具有有限摩擦的接触面的表示法（法兰表面的张开和移位）representation of contact between parts with finite friction (opening/ sliding of flange surfaces)°已装配螺栓的详细表示法detailed representation of bolts in assemblies•越来越多的复杂的非线性有限元Increasing number of complex, non-linear FEAFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines风机的FEA –在设计中的位置FEA for wind turbines -place in the design processGH 有限元分析过程GH FEA process规范regulations制造限制manufacturing limits 客户经验/偏好client experience/ preference质量quality人员通过Personnel access安装/安全assembly/safety与其他部件的接口interfaces with other components材料限制material limits最优/可接受的设计Optimal /acceptable design设计性能指标Design performance indicators:成本（材料，产品，运输，操作）Cost (material, production,transport, handling)重量Weight 强度StrengthFE analysis for wind turbinesMain bearing assemblyNacelle structureRotor headNacelle extenderBlade sectionPitch bearingPitch bearing plates(on top and bottom of inner race)同一组载荷下不同设计概念的比较comparison of different concepts under identical load sets最终设计尺寸强度的详细分析detailed analysis of strength of final design geometry风机的FEA –在设计中的位置FEA for wind turbines -place in the design process风机的FEA –最新的分析技术FEA for wind turbines -state of art technology德国劳埃德船级社2003版规范GL (Germanisher Lloyd) 2003 regulations有很大一章是对有限元分析的原则性和细节的要求Extensive chapter with general and detailed FEA requirements挪威船级社（丹麦规范）DNV (Danish regulations)对有限元分析的要求很少，认证更具一般性Fewer FEA requirements, more generic in certificationGarrad Hassan的工作符合GL的要求或更进一步Garrad Hassan work to GL requirements or furtherGL 规范GL regulationsGH 分析发展GH analysis development 某个部件的有限元分析—模型和实际之间的小差距FEA for certain components –narrow gap between model and realityGL接受新的或者改进的有限元分析方法acceptance and adoption by GLof new or improved FEAFE analysis for wind turbines叶片Blade•叶片blade•叶根连接blade root connection机械部件Machinery components•轮毂hub•主轴mainshaft•轮毂主轴连接hub to mainshaft connection •锁定销locking pin•其他螺栓连接other bolted connections 机舱结构Nacelle structure•主机架/底盘main frame/ bed plate•发电机架generator frame•轴承座bearing housings塔架Tower•塔顶（包括偏航轴承的影响）tower top (including influence of yaw bearing)•通道口（门，电缆，航空灯）access openings (door, cables, aviation light)•屈曲分析（仅限于非标准门）buckling analysis (only: non-standard doors)风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarised叶片bladeFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedNLR线性非线性包括其它结构分析中的刚度影响螺栓的疲劳和极限失效，包括法兰表面的张开/滑移（所以螺栓弯曲）和变桨轴承的影响叶片叶根叶片NLR非线性关系non-linear relationshipSCFBladeblade include stiffness effects in analysis of other structureslinear blade rootfatigue and ultimate failure in bolts, including effects of opening/ sliding of flange surfaces (hence: bolt bending) and pitch bearingnon-linearNLR除了热点应力（计算应力集中系数），还需要对照设计极限应力检查绝对应力σudas well as hot spotstresses (to calculate SCF),absolute stresses are checked against the design ultimatestress, σud应力集中系数stress concentrationfactor对于非线性分析，应力范围I 近似关系适合于用于计算SCF 的载荷循环for non-linear analyses,approximate relationship for stress ranges appropriate for applied fatigue cyclesto calculate SCFFE analysis for wind turbinesyellow = normal contact (friction coefficient 0.2)red = bonded contact ÆMPC algorithm风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarised机械部件machinery componentsFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedNLR非线性非线性非线性螺栓的疲劳和极限失效，包括法兰表面的张开/滑移（所以螺栓弯曲）和任意附近轴承的影响螺栓的疲劳和极限失效，包括法兰表面的张开/滑移（所以螺栓弯曲）和任意附近轴承的影响包括其它结构分析中的刚度影响和非线性接触轮毂对主轴的连接其它螺栓连接主轴成SCF 非线性非线性线性疲劳和极限破坏的应力热点，包括变桨轴承的非线性影响轴上的热点，凹槽或螺纹处的应力集中，包括轴承的非线性影响销和盘的热点轮毂主轴锁定销和锁定盘机械部件(g)pgMachinery componentshubstress hot spots for fatigue and ultimate failure, including non-linear effects of pitch bearings and bolted connectionsnon-linearSCF mainshafthot spots in shaft, stress concentrations at grooves or threads, including non-lineareffects of bearingsnon-linear SCF locking pin and disk hot spots in pin and disk linear SCF hub to mainshaft connection fatigue and ultimate failure in bolts, including effects of opening/ sliding of flange surfaces (hence: bolt bending) and any nearby bearings non-linear NLR other bolted connections fatigue and ultimate failure in bolts, including effects of opening/ sliding of flange surfaces (hence: bolt bending) and any nearby bearings non-linear NLR main bearinginclude stiffness effects and non-linear contact in analysis of other structuresnon-linear风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarised机舱结构nacellestructureFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesNLR/SCF SCF SCF非线性线性线性线性焊缝疲劳破坏和其它热点，包括法兰张开和偏航轴承的非线性接触焊缝的疲劳破坏模态分析包括其它结构分析中的刚度影响主机架/底盘副属机架/发电机架副属机架/发电机架轴承座机舱结构Nacelle structuremain frame/ bed platefatigue damage at welds and other hot spots, including effects of flange opening and non-linear contact in yaw bearing non-linearNLR/ SCFauxiliary frame/ generator frame fatigue damage at welds linear SCF auxiliary frame/ generator frame modal analysislinear SCF bearing housingsinclude stiffness effects of bearing housing in analysis of other structureslinearTFE analysis for wind turbines塔架tower8-point contactbearing (slewing ring)three bolted connections风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedSCF非线性非线性塔筒底部法兰焊缝的疲劳破坏，包括法兰张开的影响焊缝疲劳破坏，洞周围的应力集中，包括法兰张开的效果塔底法兰塔筒地基嵌入环线性压曲抗力系数线性特征值分析，分析方法不限，非均匀或非锥形壳屈居分析SCF非线性线性塔头法兰焊缝疲劳破坏，包括法兰张开和偏航轴承的非线性接触焊缝的疲劳破坏塔头通道口塔架Towertower top fatigue damage at top flange weld including effects of flange opening and non-linear contact in yaw bearing non-linearSCFaccess openings fatigue damage at weldslinear SCFbuckling analysis eigen-analysis of doors outside limits of analytical method, non-uniform or non-conical shellslinearlinear bucklingresistance factortower base flange fatigue damage at bottom flange weld including effects of flange openingnon-linear SCFtower foundation insert fatigue damage at welds, stress concentrations around holes including effects of flange openingnon-linearSCF有限元建模讨论FE modelling Workshop FE modelling讲到的有限元分析有：The following FEA will be presented:•塔筒底部的入口Access door in tower base•塔头法兰焊缝分析Tower top flange weld analysis•主轴分析Mainshaft analysis•轮毂和主轴之间的螺栓连接Bolted connection between hub and mainshaftFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines主要有限元目标Main FE modelling goals-重新获得焊趾位置的应力（疲劳分析）Retrieving stresses at weld toe locations (fatigue analysis)-重新获得门位置的von Mises 应力最大值（检查屈服）Retrieving the maximum von Mises stress at door location (check on yield)有限元模型细节FE model specifics-使用体单元而不是壳单元（GL 的要求）solid elements not shells (required by GL)-塔筒截段的高度最小为2.5 ×Dtower section height of minimum 2.5 ×D有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door1/12重新获得焊趾位置的应力Retrieving stress results from the FE model at weldlocation推荐EuroCode3/ 国际焊接协会(IIW)Recommendations from EuroCode3/ International Institute of Welding (IIW)reference pointsstructural stresshot spot Fcomputed total stressF0.4*t0.4*t1*tt有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door2/12FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 1•在CAD (SolidWorks).软件中创建3维门模型3D door model created in CAD (SolidWorks).•在CAD 软件中创建面（用于切割焊缝位置的体）surfaces (to be used for cutting the solid at weld locations) created in CAD.•导入CAE 软件imported into CAE.切割CAD 模型中创建的面Cutting surfaces created in CAD package有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door3/12Step 2•用导入的面切割导入的体imported solid cut using imported surfaces•创建新体new solids created•用从塔筒向外复制小面（操作后会删除）的方法切割法兰顶部区域（法兰侧焊接位置）flange top area (flange side weld locations) cut by copying small area offset from tower wall (cut areas are deleted after operation)用导入的面切割体Solid is cut by imported areas 顶部区域用复制的面切割（6个）Top area is cut bycopied areas (6 areas)有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door4/12FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbiness w e e p m e s hStep 3用工作面切割体以便得到扫略网格The solid is also cut by the workplane to make a sweep mesh possible用水平工作面切割Cut by ‘horizontal’workplane有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door5/12有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door6/12Step 41 门区域之外的主要塔筒截面是扫略得到的solid95高阶单元The main tower sections outside the door area are sweep meshed with solid95 higher order elements2 门区域截面用面单元(Mesh200)细化The door area cross section is finely meshed with surface (Mesh200) elements3 焊缝附近的位置面网格细化In the vicinity of the weld the surface mesh is refined网格细化Mesh refinementFE analysis for wind turbines有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door7/12Step 5门和周围直接连接的壳用扫略划分网格door and shell immediatelyaround it are sweep meshed门框架区域和塔架主体之间的壳用四面体单元直接划分shell between door frame region and main towermeshed automatically with tetrahedra15200个Solid95单元15200 Solid95 elementsFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesX T Pointing South.Z T Vertically upwards.Y TPointing East.OriginAt each tower station.塔架载荷和挠曲的坐标系协调Co-ordinate systems for tower loads and deflections在CAD 例子中指定的轴和原点axes and origin designated in CAD,example shown here改变坐标系change system of coordinates有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door8/12FE analysis for wind turbines对称条件Symmetry condition所有自由度约束Fixed in all DOFM y =1NmStep 6施加单位载荷Mx=1Nm 求解模型model solved with a unit load M x =1Nm应力Stress: vonMises变形比例Scale deformation =1e9有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door9/12FE analysis for wind turbines不对称条件Asymmetry condition所有自由度约束Fixed in all DOFM z =1NmStep 7施加单位载荷M y = 1Nm 求解模型model solved with a unit load M y = 1Nm应力Stress: vonMises变形比例Scale deformation =1e9有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door10/12FE analysis for wind turbines应力结果用沿焊缝的“移动的”随动局部坐标系Stress results are read in “moving”local coordinate system aligned with weldStep 8焊趾处的3个应力分量three stress components are read at weld toe:1.与焊趾平行的应力stress parallel with weld 2.与焊趾垂直的应力stress perpendicular with weld 3.面内剪应力in plane shear stress有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door11/12FE analysis for wind turbinesS tre s s e s a t d o o r w e ld , o u ts id e to w e r w a llAA-6-4-2024681000.511.522.53T o w er h eig h t [m ]S t r e s s [P a ]S x_Mx S y_Mx S xy_Mx S x_My S y_My S xy_My P 1_Mx P 3_MxPosition Name Node X Pos Y Pos MaxPS_Mx Sx_Mx Sx_My Sy_Mx Sy_My [-][-][no][m][m][N/m 2][N/m 2][N/m 2][N/m 2][N/m 2]Door tower wall, outside A 137500.40 2.08-6.31-5.61-2.96-0.188.01Door tower wall, inside B 136260.37 2.19-9.22-6.08-12.04-2.93-13.92Door flange, outside C 199780.40 2.02-7.51-7.38-7.11-6.39-5.92Door flange, inside D 205820.37 2.13-8.09-6.40-8.93-5.08-7.86Base flange, outside E 623090.820.08-8.75-2.55 1.21-8.74 3.58Base flange, insideF622180.550.09-3.93-0.980.36-3.931.20Step 91计算M x 引起的主应力（PS ）Principal Stresses (PS) due to M x load calculated 2 画应力结果图Graphs plotted of stress results3 Mx 引起的主应力（PS ）的最大值决定热点max. (abs) PS due to the M x load determines hotspot position4 生成影响线矩阵Influence matrix generated有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door12/12有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis1/15Main FE modelling goal决定关联载荷和焊缝的应力（疲劳和极限分析）Determination of the relationship load and stress in weld (fatigue andextreme analysis)FE model specifics有限元模型细节-使用体单元Solid elements will be used-模型中包括部分塔架，法兰，偏航轴承Part of tower, flange, yaw bearing is modelled-非线性分析ÆNon linear analysisÆ-可能有（局部）连接的张开possible (partial) opening of connection-活动支座滚珠接触shifting bearing ball contact-变化的轴承滚珠刚度changing bearing ball stiffnessFE analysis for wind turbines有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis2/15Step 1导入SolidWorks2维面模型SolidWorks2D model of areas is imported Step 2在轴承座圈位置，模型是由多线组成的面（90根线组成圆）At bearing race positions, areas formed from poly lines (90 lines forming circle) are modelled部分机舱底座part of nacelle bed plate偏航轴承yaw bearing刹车盘brake disk塔头法兰tower top flange塔筒tower sectionFE analysis for wind turbines有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis3/15 Step 31 用圆来切割模型The circles are used to cut the model2 螺栓的位置需要切割（工作面切割）Cuts are made for bolt position (work plane cut)3法兰焊缝的位置需要切割（工作面切割）Cuts are made at flange weld location (work plane cut)螺栓位置bolt location多线组成的轴承座圈bearing race formed by poly lines螺栓位置bolt location焊缝位置收缩法兰weld locationnecked flangeFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 41 用表面单元划分面的网格areas meshed with surface elements 2 焊缝位置网格细化（关心的区域）mesh refined in weld area (area of interest)网格细化M e sh r e fin e m e nt有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis4/15有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis5/15Step 5网格沿轴向旋转mesh rotated around axis28000个Solid45 单元28000 Solid45 elementsFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesd ir e cti o n o f i n i t i a l c on t a c td ir e c t i o n o f i n i t i a lc o n t a c t 使用Li n k 10单元的初始应变特性表示间隙R e p r e s e n t a t i o n o f g a p m o d e l l e d u s i n g i n i t i a l s t r ai n p r o p e r t y o fL I N K 10 e le m e nt sStep 7用Link10单元（单元仅受压）表示轴承滚珠Link10 (compression only elements) are modelled to represent the bearing balls有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis6/15FE analysis for wind turbinesStep 8用Beam 4单元表示螺栓Beam 4 elements are modelled to represent the boltsStep 91 模型中包括接触Contact is modelled2 模型中包括“载荷伞”Load umbrella is modelled塔头=载荷施加Tower top =load applicationcontact有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis7/15FE analysis for wind turbinesStep 10载荷步1：通过给螺栓设置温度（收缩梁）实现螺栓预加载Load step 1: Bolt preload step is solved by applying temperature on bolts (contracting beams)结果显示：仅螺栓预载荷(M z =0kNm)Results shown: Only bolt pre load (M z =0kNm)变形比例= 500Scale deformation = 500有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis8/15Step 11载荷步3：分5个子步施加实际Mz弯矩(7000kNm)求解模型Load step 3: Model is solved with realistic Mz moment (7000kNm) in 5 sub steps结果显示：Mz =7000kNmResults shown: Mz =7000kNm变形比例= 100Scale deformation = 100失去接触Loss of contact有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis9/15FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines受压侧Compression side M z =7000kNm Sy stress 受拉侧Tensile side M z =7000kNm Sy stressLoc1Loc2焊趾位置应力最大weld toe location highest stressed有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis10/15FE analysis for wind turbinesNLR between stress and moment at 4 tower top locations-150.00-100.00-50.000.0050.00100.00150.00200.00-8000000-6000000-4000000-20000002000000400000060000008000000moment [Nm]S t r e s s [M P a ]Outside 1Inside 1Outside 2Inside 2-螺栓应力和弯矩的非线性关系Non linear relationship bolt stress and applied moment -M y ,hub 或M z ,hub 载荷时程（旋转坐标系）Load time history M y ,hub or M z ,hub (rotating coordinate sys.)Step 11生成应力/ Nm 焊趾非线性影响关系non linear influence relationship weld toe stress / Nm is generated螺栓应力时程（使用Bladed ）bolt stress time history (using Bladed)极限螺栓应力extreme bolt stress寿命周期内疲劳损伤lifetime fatigue damage有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis11/15FE analysis for wind turbinesR e s u lt a n t c o n t a c t a n g le-80.00-60.00-40.00-20.000.0020.0040.0060.0080.0020406080100120140160180200R a d ia l p o s it io n [d e g ]C o n t a c t a n g l e [d e g ]T e n s i le s i d eC o m p r e s s i o n s i d e对于每一个载荷步，可以计算得到合成的接触角For each load step, a resultant contact angle can be calculated接触结果与前面使用固定45度接触角建模时得到的结果十分不同Æ对焊缝位置应力结果影响很大（大概减少20%）Contact results are very different compared to previous modelling with a fixed contact angle of 45 degrees Ælarge influence on stress results weld location (around 20%reduction)Loc1, 受拉侧tensile side Loc2, 受压侧compression side有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis12/15FE analysis for wind turbines检查轴承滚珠接触Check on realism of bearing ball contact轴承面外所有自由度完全约束Outside bearing areais fully constraint in all DOF刚度很高的载荷伞Very stiff load umbrellaF radial = 8000 kN对称条件Symmetry conditions有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis13/15FE analysis for wind turbines无量纲力无量纲位移有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis14/15FE analysis for wind turbines8点接触轴承（回转支承）8-point contactbearing (slewing ring)3个螺栓连接three bolted connections有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis15/15有限元建模主轴FE modelling Mainshaft 1/11主要有限元建模目的Main FE modelling goal指定主轴表面“热点”的位置Allocate hotspot locations on shaft surface产生“热点”周围的影响线矩阵Produce influence matrix for all the foundhotspots有限元模型细节FE model specifics-静态分析（“热点”分析）Static analysis (hotspot analysis)-使用体单元Solid elements will be applied-模型中包括部分轮毂Part of hub is modelled-模型中包括轴承状态（双球滚子形式）Bearing behaviour (double spherical rollerlay-out) is modelledFE analysis for wind turbinesStep 1主轴的SolidWorks3维模型，轮毂和内轴承座圈很重要SolidWorks3D model of mainshaft, hub and inner bearing races is imported Step 2体模型被切开，沿主轴轴向的截面和部分轮毂被留下Solid model is cut and cross section over the length of the shaft and part of hub is left有限元建模主轴FE modelling Mainshaft2/11FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 3Mesh200单元划分面的网格area meshed with Mesh200 elementsStep 4在关键区域首次细化网格initial mesh refined in critical areasStep 5在关键区域二次细化网格（轮毂侧和齿轮箱侧轴承位置）second mesh refined in critical areas (hub side and gearbox side bearings positions)网格细化1Mesh refinement 1网格细化2Mesh refinement 2有限元建模主轴FE modellingMainshaft3/11有限元建模主轴FE modelling Mainshaft4/11 Step 6面网格绕主轴轴线旋转生成solid 95（高阶）体单元模型area mesh revolved around shaft axis to generate asolid model with solid 95 (higher order) elements36200个Solid95单元36200 Solid95 elementsFE analysis for wind turbines有限元建模主轴FE modelling Mainshaft5/11 Step 6用非常细（没有刚度）的shell 93单元划分体模型网格The solid model is meshed with very thin (nostiffness) shell 93 elements.这些单元会在后处理中用于获取模型表面的应力These elements will be used in the postprocessing phase to extract stresses from thesurface of the model6200个shell 93 单元6200 Shell93 elementsFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 7用非线性Link10单元的“蛛网”表示轴承滚子（刚度建模）Spider webs of non linear Link10 elements are modelled to represent the bearing rollers (stiffness is modelled)Link10单元仅用于承受拉伸载荷的建模The Link10 elements are modelled only to take loading under tensile432个非线性Link10单元（仅受拉伸）432 non linear Link10 elements (tensile only option)轴承中心位置的中心节点Central node at bearing centre position把Link 单元连接到内轴承座圈的外表面Link elements are connected to the outside surface of the inner bearing race有限元建模主轴FE modellingMainshaft6/11FE analysis for wind turbinesStep 81 载荷施加点和“载荷伞”建模1 Load application node and load umbrella is modelled2 齿轮箱安装刚度建模（具有恰当刚度的梁单元）2 Gearbox mounting stiffness is modelled (Beam elements with correct stiffness)3 施加边界条件3 Boundary conditions are applied边界条件Boundary conditions齿轮箱安装刚度Gearbox mounting stiffness施加齿轮箱重量Gearbox weight application施加载荷Load application边界条件Boundary conditions有限元建模主轴FE modellingMainshaft7/11FE analysis for wind turbinesStep 9模型上施加了下列载荷：The following loads have been applied to the model 11个单位载荷：11 unit loads:+F x , -F x , +F y , -F y , +F z , -F z +M x , +M y , -M y , +M z , -M z4个变速箱载荷（实际重力载荷）：4 Gearbox loads (real gravity loads):+F y , -F y , +F z , -F zShell 93 单元M y = 1NmvonMises 应力Solid 95 单元M y = 1NmvonMises 应力Shell 93 elements M y = 1NmStress=vonMisesSolid 95 elements M y = 1NmStress=vonMises有限元建模主轴FE modellingMainshaft8/11。
大型风力发电机组轮毂强度分析
在 寿命 ２ ０年 的运 行过 程 中 ，轮毂 的失 效 形式 有 两 种 类型 ： ） 限工 况下 ，在应 力 集中区域 的材 料 １极
塑 性变 形 或破 坏 ； ）随机 载 荷作 用下 的 疲劳 破坏 。 ２
本文以 Ｇ Ｌ规范 为标 准 ，利用有 限 元方法 对轮毂 强 度 进行分 析计 算 ，为风机 安 全运行 提供技 术 支持 。
为轮毂结构优化奠定基础 。
关键词 ： 风力发 电机 组 ；轮毂 ；强度 ；有限元 ；Ｓ 曲线 －Ｎ
中图分类号 ：Ｔ １ ３ Ｍ３５ 文献标识码 ：Ａ Ｈ ，Ｔ １ ２
Ｄｏｉ １ ３ ６ｌＪ ｉｓ １ ０ －０ ４ ２ １ ８ 下 ）． ６ ： ９ ｃ ．ｓ ｎ． ９ １ ． ０ （ ０． ／ ０ ３ ２． ３
大型风 力发 电机组轮毂强度分析
Ｔｈｅ ｓ ｒ ｔ ｅｎｇ ｈ ａｎａｌ ｉ ｂ —ｒｌ ｇｅ ｗ ｉ ｕｒ ｎ ｔ ｙｓ ｓ ｏｆ ｈｕ ｌ ａｒ ｎｄ ｔ ｂｉ ｅｓ
范 光 良 ，麦 云飞 ，陈俞 廷
Ｆ ｕ ｎ － ａ ｇ， ＡＮ Ｇ ａ ｇ ｌ ｎ ＭＡｌ ｎ ｆ ｊＣＨＥ ．ｉｇ ｉ Ｙｕ — ． ｅ Ｎ Ｙｕ ｔ ｎ
球 形 体 和相 贯 三 圆柱 组 成 。轮毂 采 用 材料 ＱＴ ５ — ３ ０
２ ＡＬ铸 造 而 成 。对其 进行 强 度分 析 时 采用 ＧＬ规 ２ 范 中的叶根 载荷 坐标 系 Ⅲ，如 图 ２所 示 。
和 主轴 ） ，实现 柔 性加 载 ，使轮 毂载 荷 施加 部 位 不
至于 刚 度 过 大 ，并 且 对 变 桨轴 承 等 假 体 做 了近 似
其 中 ： Ｂ 沿径 向叶 片变桨轴 ，ＸＢ垂 直 于 Ｚ Ｚ Ｂ， 对 于上 风 向机组 而言 指 向塔架 ，Ｙ 垂 直于 叶片 轴 Ｂ 和主 轴 ，右旋 坐标 系原 点 ，每 个叶 片根 部位置 。
风力发电机组轮毂极限强度的有限元分析
国家， 能源消耗量不断增加， 传统化石能源无以为继， 面临 的能源开发利用的资源约束越来越多， 环境压力也越来越 大。如今， 生态环境承载能力弱、 资源相对紧张。传统能源 利用导致 的环境 问题越 来越严 重 ， 以及 全国范 围 内的雾 霾 天气都在提醒我们要努力做到全面 、 协调、 可持续发展 ， 以 符 合 当今 国情 。在众多 的可再 生能源 中 ， 风能 以其 巨大 的 优越性和发展潜力受到人们的瞩目。 １ ． ２轮毂在 大型风力发 电机组 的重 要性 在大 型风 力发 电机 组 中 ， 轮 毂是 核心 构件 ， 其不 仅承 担着与驱动连的链接， 而且将叶片所受的风载荷通过主轴 图 １轮 毂 简化后 几 何 模 型 图 ２轮 毂极 限强度 应 力 分 布 图 传递 给齿 轮箱 ， 承担 着风力 发 电机 组容量 增大 而带来 的更 大 的负荷 。它需要 有足够 的强度 和刚度 ， 以保证 机组 在各 用单元类型为二次十节点四面体 单元 ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ １ ８ ７ 。 种工 况下能 正常运 行 。由此可看 出轮毂在 风力发 电机组 的设计 和制造 在分网前处理模型， 将轮毂与叶片连接处的根部加密 ， 在所要切割 过程 中的重要性 。 部位做工作平面坐标， 利用坐标系的 Ｘ Ｙ平面切分轮毂模型。在不需要 ２轮毂的强度校核计算 加 密 的部 分 ， 可选 择一个 较大 的尺 寸来划分 网格 ， 在 轮毂 的厚度 方 向上 ２ １轮毂 模型介绍 至少保持 ３ ＿ ５ 个单元以上。 在加密处 ， 单元尺寸要以小的圆角或易出现 轮 毂模型结构 见图 １ 应力 集 中部 位保证 ３ 个 单元 。 此 机组风轮 由三片 叶片对称安 装在轮 毂上构 成 ，叶片间 的夹 角为 ２ ． ５轮毂计算 的边界 条件 １ ２ ０ ￣ 。 利用 Ｃ Ａ Ｄ绘 图软件 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ ， 绘制 了轮毂 的三维实体 几 何 简化 轮毂的计算边界条件是模拟轮毂在静态环境下 ，风载荷通过叶片 模型 。在保证 计算精度 的前 提下 ， 由于小 的孔 类 、 圆角及 小 凸台类 结构 传递给轮毂， 而在 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 中， 在叶根中心处分别建立节点与叶片的端部 对计算结果影响很小并且不是关键部位 ， 已经略去。叶片产生的气动载 做接触， 此处为刚性接触。 由Ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｄ 软件计算出的此计组的极限工况载 荷以及由于风轮旋转和机舱对风轮转动引起的离心力、惯 陛力和重力 荷分别施加在这三个节点处。在三个节点处要分别建立局部坐标系以 通过三片叶片连接点传递到轮毂上 ，这些载荷和轮毂 自身的重力构成 叶 片方 向为 Ｚ轴 ， 主轴 的方 向为 ｘ轴 ， 由右手定则确 定 Ｙ轴。 了轮毂载 荷。最终 ， 轮毂 简化后 的 几何模型如 图 １ 所示 。 ２ ． ６极 限强度 计算 按照轮毂传力关系 ， 我们应在 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 中建立出叶片和主轴。叶片与 根据 轮毂 的实际安装 情况 ， 轮毂所 受 的力通过 主轴传 递给齿 轮 箱 ， 主轴的接触方式我们可有两种选择 ， 一种是以共节点的方法视轮毂、 主 主轴端部施加全约束。 将各载荷施加在叶根中心节点上。 计算采用极限 轴和叶片为一体， 此种方法的优点是计算精度高 ， 网格较为匹配。第二 工 况 ２ Ｍ ｙ － ｍｉ ｎ ， １ Ｍｘ ： － ４ ４ ３ ， １ Ｍｙ ： － － ４ ２ ８ ， １ Ｍｚ ： ６ １ ６ ， １ Ｆ ｘ ： 一 ３ ． ５ ， １ Ｆ ｙ ： ３ ２ ， １ Ｆ ｚ ： 种 方法 是利用 接触 即 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 中的ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ， 此种 方法 的优点 是 ， 不用考 虑 ３ ５ ８ ， ２ Ｍ ｘ ：－ １ ４ ７ ７ ， ２ Ｍ ｙ ：＿ ＿ ４ ６ １ ５ ， ２ Ｍ ｚ ：一 ２ ９ ， ２ Ｆ ｘ ：一 １ ９ ３ ， ２ Ｆ ｙ ： ６ ４ ， ２ Ｆ ｚ ： 网格之间的匹配关系 ， 划分网格较为容易， 但轮毂网格 已经进行加密 ， ２ ３ ０ ， ３ Ｍ ｘ ： ９ ２ １ ， ３ Ｍｙ ： ２ ０ ９ ， ３ Ｍｚ ： １ ． ５ ， ３ Ｆ ｘ ： １ ２ ， ３ Ｆ ｙ ： 一 ８ ８ ， ３ Ｆ 而叶片处不是计算所关 的部位， 网格的划分较为粗糙， 接触时易发生 ｚ ： ３ ４ ９ 。 单位为Ｋ Ｎ 和Ｋ Ｎ ｍ 穿透现象，避免此现象的发生需要不断调节叶片的网格。在本次计算 ２ ． ７计算 结果 根据工况载荷的计算 ， 得出轮毂的 Ｖ ． Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应力为 １ ９ ５ Ｍｐ ａ ， 应力最 中， 我们所采用的方法为第一种。 ２ ２ 材料介 绍 大位置 为轮毂 叶根处 。最 大变形量 为 ４ ． ８ ７ ｍ ｍ。 在有限元分析计算中，结构静强度分析主要考虑的是材料的弹性 根据 Ｖ ． Ｍ ｉ ｓ ｅ ｓ 应力塑形材料标准， 安全系数取 １ ． １ 。 轮毂材料的屈服 模 量 和泊 松 比 。本 文 采用 的轮 毂 为 铸 件 结 构 ，其 材料 为 球 墨 铸 铁 厦力力： Ｒ ０ ２ ２ ４ ０ Ｎ／ ｍ ｍ Ｑ Ｔ ４ ０ ０ － １ ８ Ａ Ｌ ， 具有 良好的低温冲击韧性 ， 铸造性能好 ， 耐磨、 耐热、 耐腐 寸 蚀 陛菠好； 成本低等。 其杨氏模量为 １ ． ７ ３ Ｅ ＋ １ １ Ｎ ／ ｍ ２ ， 泊松比是 ０ ． ３ ， 抗拉强 Ｏ＇ ２ １ ８ Ｎ ｜ ｍ ｍ ２ 度３ ． ９ Ｅ ＋ ８ Ｐ ａ ， 屈服 强度 ２ ． ５ Ｅ ＋ ８ Ｐ ａ ， 在 风力 发 电机组 中大部 分铸件 都采 用 此材料。主轴采用的材料为 ４ ２ Ｃ ｒ Ｍ ｏ ， 其是合金结构钢， 有很高的静力强 经计算得 出轮毂最 大 Ｖ ． Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应力 为 ： ￣， ＝ １ ９ ５ Ｍ ｐ ａ 。极限强 度利用 度、 冲击韧性及较高的疲劳极限。叶片的材料为高强玻璃钢， 在本次分 水 平 的验 证 ： ｍ ２ 析中视为各相同性材料 ， 此材料质轻 、 高强 、 耐腐蚀等优 良性能。主轴和 Ｏ＇ ｍ ５ Ｎ ／ ｍ １ ９ 口 ： 一 “一 — 一— — — — — — — — — — — — 一 ：０ ． ８ Ｏ ９＜ ＼ １ 叶片的杨 氏模 量为 ２ ． ０ ６ Ｅ ＋ １ １ Ｎ ／ ｍ ｚ ， 泊 松 比是 ３ 。 在 本文 中都 采用 国际单 Ｏ＇ ２ １ ８ Ｎ ｜ ｍｍ 一 ｚ ｕ ｉ 位制。 此轮毂在此极限工况下极限强度合格。结果云图如图 ２ ２ Ｉ ３分析采用的坐标系 参考文献 坐标系引用 Ｇ Ｌ规范第四章中， 轮毂坐标系， 轮毂迎风方向为 ｘ正 方向， ｚ为塔架竖直向上的方向为正。 ［ １ ］ 中国 船级社风力发电机组规范． ２ ． ４轮毂有 限元 网格 的划 分 ［ ２ ］ 成大先主编． 机械设计手册涕 ５ 版． 北京： 化学工业出版社， ２ ０ ｏ ７ ． 作为有限元仿真分析 ，模型的网格划分质量直接影响着后续分析 ［ ３ ］ 美国Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 公 司北京办事￣ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ 非线性分析指南， １ ９ ９ ８ ． ４ ］ 哈尔滨工业大学理论力学教研 室编． 理论力学． 第 ６版． 北京 ： 高等教育 结构的准确程度。在本次分析中， 轮毂采用的是三维实体单元 ， 由于轮 ［ ｌ ｆ ５ ． 毂与叶片连接处圆角及相贯特征较多 ， 易出现应力集中现象 ， 应在这个 出 部位进行网格加密。在单元的阶次上采用二次单元。所以， 此次分析采
风力发电机组轮毂的抗风能力分析与仿真
风力发电机组轮毂的抗风能力分析与仿真风力发电机组作为一种可再生能源的重要代表，在近年来得到了广泛的应用和发展。
而轮毂作为风力发电机组的重要组成部分，其抗风能力直接影响了整个风力发电系统的性能和安全运行。
因此，对风力发电机组轮毂的抗风能力进行分析和仿真是非常必要的。
一、轮毂抗风能力分析风力发电机组轮毂作为支撑叶片的主要承载部件，承受着来自风力的巨大力量。
在设计风力发电机组轮毂时，需要考虑多种因素，如风载荷、旋转惯性力、叶片重力等。
其中，风载荷是对轮毂抗风能力的主要考量因素。
当风力作用于风力发电机组轮毂时，会产生一个复杂的力学响应。
轮毂的结构设计和材料选择将直接影响其抗风能力。
通过有限元分析等方法，可以对轮毂在不同工况下的应力、应变等进行计算和分析，从而评估其抗风能力是否满足设计要求。
二、轮毂抗风能力仿真为了更准确地评估风力发电机组轮毂的抗风能力，可以利用仿真软件对轮毂在风载荷下的工作状态进行模拟。
通过建立轮毂的有限元模型，设定相应的加载条件和约束条件，进行静态和动态分析，得到轮毂在各种工况下的受力情况。
利用仿真软件进行抗风能力仿真可以大大节约时间和成本，避免了传统试验方法的繁琐和耗时。
同时，仿真可以较为准确地预测轮毂在各种风速和风向下的受力情况，为设计提供重要参考。
三、结论风力发电机组轮毂的抗风能力分析与仿真是保证风力发电系统安全运行的重要工作。
通过分析轮毂在风载荷下的受力情况，设计合理的结构和材料，可以提高轮毂的抗风能力，延长其使用寿命。
同时，利用仿真软件进行抗风能力仿真可以更准确地评估轮毂的受力情况，为设计提供可靠的依据。
风力发电机组轮毂的抗风能力分析与仿真工作还有待不断改进和完善，以满足风力发电行业发展的需求。
风力发电机组轮毂设计及有限元分析
摘要轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件,承担抵抗风载、传递转矩的作用，对轮毂进行精确的强度分析尤为重要。
采用联合分析的方法，利用UG软件和ANSYS有限元分析软件对风力发电机轮毂进行了强度计算和受力分析。
通过UG软件作出轮毂的模型图，根据作图的方法和步骤对模型图进行了参数化设计。
并将UG 模型图转化成CATTA格式再导入ANSYS分析软件中进行有限元分析。
分析结果表明：该方法能够比较准确地反映轮毂受力和变形情况，与理论估算相比具有计算精确、轮毂结构布局合理、重量轻、修改方便等优点。
关键词:风力发电机；轮毂；有限元；参数化；网格AbstractHub is a key component linking principal axis with vane in wind turbines , bearing wind load and delivering torsion. Therefore , it is important to analyze accurately strength of the hub. Joint analysis, using UG software, and ANSYS finite element analysis software for wind turbine wheel and the mechanical analysis of the strength calculation. Made through the UG software model of the wheel, according to the method of mapping and the steps carried out on the model of the design parameters. UG model and into a format and then import CATTA analysis software ANSYS finite element analysis carried out. The results show that: the method to more accurately reflect the wheel force and deformation, compared with the theoretical calculation of accurate estimates, a reasonable wheel structure, light weight,convenient modification.The stress distribution of the hub in the SU T21000 wind turbine was calculated using BLADE and AN SYS software. The ultimate loads of the hub were obtained based on IEC standard and an equivalent model was built by multipoint constraint element s and equivalent simplified technology in analysis. The stress of the bolt was also checked. The analysis result s indicate that the hub and bolt s satisfy technical requirements. Experimental results show that the proposed scheme is valid and has the advantages of precisely optimizing structure and light weight compared with theoretical method.Key words : Wind generators; wheel; finite element method; parameter; grid目录引言 (4)第一章风力发电机及轮毂简介 (6)1.1 风力发电机 (6)1.2 轮毂 (8)第二章轮毂的参数化设计 (9)2．1 利用基本特征参数化建模 (9)2．2 利用草图辅助参数化建模 (10)2．3 基于特征定义和UG/OPEN GRIP的参数化建模 (11)2.3.1 UG/OPEN GRIP简介 (11)2.3.2 GRIP程序的开发和执行 (11)2．4 创建几何模型及参数化 (13)第三章有限元分析 (17)3.1 UG模型的导入 (17)3.2 模型的网格划分 (19)3.2.1 有限元网格概述 (19)3.2.2 定义单元属性 (20)3.3 边界条件与载荷 (24)3.3.1 施加载荷力 (24)3.3.2 设置固定端 (25)3.4 结果的分析 (26)结论 (28)参考文献 (29)谢辞 (30)引言“风电是绿色能源，发展风电是实施能源可持续发展战略的重要措施。
基于有限元分析的风力发电机组结构优化设计
基于有限元分析的风力发电机组结构优化设计1. 引言风力发电作为一种可再生能源的重要形式，已逐渐成为人们关注的焦点。
风力发电机组的结构设计是提高其效能和可靠性的重要方面。
有限元分析作为一种重要的工程分析方法，可以用于优化风力发电机组的结构设计，提高其性能。
本文将基于有限元分析，探讨风力发电机组结构的优化设计方法。
2. 风力发电机组结构分析首先，我们需要对风力发电机组的结构进行详细的分析。
风力发电机组通常由风轮、主轴、发电机和塔构成。
其中，风轮是最关键的部件之一，其承受着风力的作用，并将其转化为机械能。
主轴将机械能传递给发电机，通过发电机将机械能转化为电能。
3. 有限元分析在风力发电机组结构设计中的应用有限元分析是一种基于数值计算的工程分析方法，可以用于优化风力发电机组的结构设计。
通过有限元分析，可以对风力发电机组的结构进行模拟和仿真，得到其受力情况和变形情况，进而进行优化设计。
3.1 风轮受力分析首先，对风轮进行受力分析是风力发电机组结构设计的重要一步。
风轮在运行过程中承受着风力的作用，因此需要对其受力情况进行分析。
通过有限元分析，可以模拟风轮在不同风速下的受力情况，进而确定其最大受力点和受力分布情况。
3.2 主轴及连接部件的优化设计主轴及连接部件在风力发电机组中起着关键的作用。
通过有限元分析，可以对主轴及连接部件进行优化设计。
例如，可以通过仿真和分析，确定主轴的合适材料和截面尺寸，以提高其强度和刚度。
同时，还可以对连接部件进行优化设计，确保其在运行过程中不会出现破裂或松动等问题。
3.3 塔的结构分析与设计塔是支撑风力发电机组的重要组成部分，其结构的合理性直接影响到整个机组的稳定性和安全性。
通过有限元分析，可以对塔的结构进行模拟和分析，确定其在不同载荷下的变形情况和应力分布。
进而，可以对塔的结构进行优化设计，以提高其刚度和稳定性。
4. 结果与讨论通过以上的有限元分析和优化设计，我们可以得到风力发电机组结构的优化设计结果。
风力发电机轮毂的有限元分析
目前，已经有很多风力发电机组相继投入使用，但是由于风力发电机桩基容量日益增大，这在一定程度上导致机组所能够承受负荷情况越来越复杂。
由于轮毂作为风力发电机的一个重要组成部分，在发电机中起到至关重要的作用，轮毂的质量好坏将在一定程度上直接影响机组使用寿命。
因此，开展对于轮毂的静态分析和疲劳计算是十分有必要的。
本文将使用有限元建模理论，对风力发电机相关内容进行分析。
1 风力发电机轮毂的载荷情况计算对于风力发电机中的轮毂进行载荷数据计算，一般采用的是叶素动量法。
叶素动量法能够将动量理论和叶素理论两者进行融合，同时将有关叶尖损失、叶栅效应以及间隙修正等相关的影响因素考虑在内，这种方式能够较为精准地计算出风轮转子的相关性能。
另外，这种方式还能够将风剪、偏航以及风轮结构参数等相关因素考虑在内。
在具体计算过程中，我们通过使用上文提到的叶素动量理论，在计算过程中考虑到相关叶尖和轮毂的损失F ；结合风力机实际的工作结构参数，将B 作为桨叶数量；c 作为截面的弦长，由此可以得出速度诱导因子求解的公式，如式（1）所示。
c z z B C Hαφ=+（1）由此可以计算出在某种运动状况写叶轮等效到轮毂的具体极限载荷数据情况，如表1所示。
表1 轮毂极限等效载荷数据FX/NFY/N FZ/N MY/N·M MZ/N·M -610025300-220009800046600002 风力发电机轮毂的有限强度分析通过使用专业CAD 软件Proe 能够辅助建立轮毂的3D 模型，再通过使用有限元软件能够对轮毂进行网格划分，帮助建立分析模型；最后通过MSC.nastran 计算轮毂静强度结果。
通过相关计算分析，得到做大应力达到69.3MPa ，这就表明轮毂已经具有足够强度，滚局相关应力云图中能够发现轮毂受力一般小于铸铁QT400的许用应力181.8MPa ；秉着这一强度，呈现出的储备也相对较大。
因此，这一种还具备一定优化潜力，能够进一步优化升级。