风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命预测
风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命预测赵荣博;张媛;李双荣【摘要】针对风力机塔筒法兰联接螺栓结构特殊、受力复杂、易于失效等特点,采用有限元法建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系,应用工程算法计算螺栓时序内应力;基于GL2010规范,选择塔筒法兰联接螺栓材料的S-N曲线;基于S-N曲线全寿命分析法计算整圈螺栓的疲劳强度并确定最危险部位;采用螺纹联接轴对称模型进一步准确计算危险部位螺栓的疲劳累积损伤,结果表明其疲劳寿命满足要求,提出的方法在预测塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命时具有可行性和有效性.%For the special structure,complex load and easy failure of flange connecting bolts,the re-lationship between outside load of tower cross section and inner stress of bolts by finite element meth-od is established,and the timing inner stress of bolt is calculated by Schmidt-Neuper algorithm.The S-N curve which is suitable for high strength bolts is selected based on GL2010 specification.Fatigue cu-mulative damage of whole-ring bolts is calculated by whole life analysis method based on S-N curve, and the most dangerous parts is determined.Further fatigue cumulative damage of the dangerous bolts is calculated by using threaded connection axisymmetric model.The results showed that the dangerous part of bolts meets the requirements of fatigue life,and proved that the feasibility and effectiveness of the proposed method.【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(036)002【总页数】6页(P143-148)【关键词】法兰联接螺栓;疲劳寿命预测;有限元法;风力机塔筒【作者】赵荣博;张媛;李双荣【作者单位】内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古自治区产品质量检验研究院,呼和浩特 010070;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051【正文语种】中文【中图分类】TH12风电机组塔筒由多段构成,各段之间由沿法兰圈均匀分布螺栓联接。
法兰联接处是塔筒的薄弱环节,因疲劳损伤而导致的螺栓断裂是塔筒的主要破坏形式之一。
螺栓疲劳寿命受材料特性、外载荷、结构尺寸和预紧力等因素影响而具有较大离散性。
因此,对该部位螺栓进行疲劳寿命预测具有重要意义。
目前,有限元法、以Schmidt-Neuper为代表的工程算法和VDI2230算法是塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命分析的主要方法[1-2]。
在有限元模型中不仅需考虑螺栓的结构非线性、材料非线性和接触非线性等因素,对于螺栓周围刚度不均匀或联接形式较为复杂的区域,须采用有限元法计算螺栓的外载荷与内应力关系。
塔筒法兰联接螺栓数量较多,为简化计算,根据螺栓数量将法兰分成若干扇面,通过计算单扇面螺栓的力学特性,分析最危险部位螺栓的疲劳寿命。
通过建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系,计算螺栓时序内应力;由Miner疲劳累积损伤理论和雨流计数法计算整圈螺栓的疲劳累积损伤分布,确定最大累计损伤位置;对该部位螺栓建立轴对称模型,分析其承受轴向载荷的应力分布,进而预测危险部位螺栓的疲劳寿命。
风力机组运行环境复杂恶劣,考虑脉动风的流固耦合影响,塔筒最大应力出现在第三法兰段位置[3]。
以某2.0MW直驱型塔筒第三法兰段联接螺栓为研究对象,其相关参数为:法兰内径2.785米、外径3.145米、厚度0.11米,螺栓M39、孔径42毫米、等级10.9、数目100,垫圈内径40.4毫米、外径72毫米、厚度6毫米。
根据GL2010[4]规范,风力机塔筒坐标系如图1所示。
1.1 塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系法兰螺栓联接模型由上下法兰、螺栓、螺母和垫片组成。
垫片几乎不发生破坏,故将螺栓与垫片建成一体;上下两端螺杆伸出部分不受力,将其等效为上下对称结构;为便于分析计算,忽略螺纹结构。
由于法兰受到正应力,单法兰在焊缝处受到均匀的拉应力作用,故法兰顶部100个点受到力的大小和方向相同。
因此,将法兰螺栓系统简化为单扇面法兰有限元模型,如图2所示。
设置边界条件并加载,根据等效梁法的思想,在法兰上端面施加工作载荷,提取单元最大应力估算螺栓所受内应力,建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系。
计算得出的第三塔筒段截面外载荷与螺栓内应力关系如图3所示。
可知:当螺栓受压时,其内应力主要由预紧力产生,且几乎不变,;螺栓受拉时,随拉力的增加,内应力随之增大。
1.2 螺栓时序应力计算根据GL 2010规范,由Bladed软件输出法兰截面中心处70组疲劳工况,每组工况包括60000组x、y、z轴方向的集中载荷和弯矩载荷。
塔筒薄壁上受到外载荷Z 为:式中,Mx、My——沿截面x、y方向的弯矩,β——截面任意位置与x轴的正向夹角,R——法兰半径,N——螺栓数目,Fz——塔筒z方向集中载荷。
对应不同塔筒截面外载荷,在Matlab软件中选择interp一维数组插值函数对图3中的关系曲线进行插值,计算70组工况的螺栓内应力,称为螺栓时序应力。
受篇幅所限,仅给出S01工况部分截面外载荷和螺栓时序应力计算结果,如表1所示。
2.1 螺栓材料的S-N曲线GL2010规范推荐螺栓材料选用焊接件的S-N曲线,其有两种形式,分别是符合国际焊接协会(IIW)和Eurcode3规范,在应力循环次数达到1×107和5×106,曲线斜率发生变化;如图4所示。
图4 焊接材料的S-N曲线ΔσA为2×106应力循环次数时对应的疲劳强度参考值(DC值)。
考虑尺寸效应,直径超过30mm的螺栓规定其DC缩减系数为:式中,d——螺栓中径,mm。
根据GL 2010规范,高强度螺栓选择DC=36进行疲劳寿命预测。
考虑到结构寿命分析的保守性,选择IIW标准为螺栓材料的S-N曲线[5-6]。
S-N曲线未给出1×107对应的疲劳强度,故需进行推导。
基于IIW得到的S-N曲线疲劳强度计算公式为[6]:式中:m1=3为曲线斜率。
根据式(3),DC按缩减后的值推算SN值如表3。
2.2 法兰联接整圈螺栓的疲劳累计损伤由螺栓时序内应力和螺栓材料的S-N曲线,通过Miner损伤理论和雨流计数法每隔15°计算螺栓的疲劳累积损伤,如表3所示。
可以看出,最大累计损伤发生在(165°,195°)或(-15°,15°)区域内。
为准确确定最大损伤位置,在180°和0°左右区间每隔3.6°(第三法兰段整圈螺栓数量为100)重新细分计算,得到整圈螺栓的最大疲劳累积损伤位于172.8°和176.4°处,其20年的疲劳累积损伤值为0.555<1,满足疲劳强度设计要求[7]。
导致疲劳破坏的因素主要有:载荷循环次数、每个循环载荷的应力幅值、每个循环载荷的平均应力以及应力集中现象,而工程算法忽略了螺纹部位的应力集中现象。
为了考察工程算法对螺栓疲劳寿命分析的准确性,建立危险部位螺栓的螺纹联接轴对称模型,分析其应力分布,进一步准确预测该部位螺栓的疲劳寿命。
3.1 螺纹副应力分析螺栓三维模型和轴对称模型对比研究表明,当螺旋升角小于4°时,沿螺纹齿分布的载荷受螺旋升角影响很小,且仅承受轴向载荷时,螺栓可以简化为轴对称模型,结果的合理性和有效性得到了工程界的广泛认可[8-9]。
螺栓实际工况中承受的交变载荷可等效计算为轴向拉伸载荷,M39螺栓的螺旋升角为2.004°,其影响忽略不计,故建立螺栓—螺母轴对称模型。
对于轴对称模型,螺栓中心线即为模型的对称中心,约束对称中心的径向位移以及螺母表面的轴向位移,螺栓顶部施加轴向预紧力。
外螺纹上表面设为主面,内螺纹下表面设为从面,切向定义罚函数接触,法向定义硬接触,螺纹部位采用网格加密处理,其余部分网格密度为3。
螺纹副在轴向载荷作用下的等效Mises应力分布,如图5所示。
分析可知,承受轴向载荷螺纹部位最大Mises应力位于螺栓螺母第一圈旋合螺纹处,且距离螺母固定面越远,应力越小;与疲劳拉伸试验和工程事故结果相吻合,说明螺纹联接轴对称模型的分析结果合理可信。
3.2 危险部位螺栓疲劳寿命分析结果根据172.8°位置螺栓的时序内应力,计算70组工况下的螺栓轴向工作载荷,绘成疲劳载荷谱。
S01工况的疲劳载荷谱如图6所示。
在nCodeDesignlife疲劳分析软件中,分次输入70组工况的疲劳载荷谱,并对有限元分析时输入的轴向载荷进行名义化。
经过计算,危险部位螺栓20年的疲劳累积损伤为0.593,略大于工程算法计算结果0.555。
说明螺纹牙底存在的局部应力梯度对螺栓疲劳寿命会产生一定影响,在精确预测螺栓疲劳寿命时应当予以关注。
法兰联接部位是风力机塔筒的薄弱环节,对该部位螺栓进行疲劳寿命分析至关重要。
以某2.0MW风力机塔筒第三法兰段联接螺栓为研究对象,采用有限元法建立了塔筒截面外载荷与螺栓内应力关系,应用工程算法计算螺栓时序内应力。
通过S-N曲线全寿命分析法粗算了整圈法兰联接螺栓的疲劳强度,并确定最危险位置。
建立危险部位螺纹联接轴对称模型,分析了承受轴向载荷的螺纹部位应力分布;在此基础上,根据有限元分析结果,进一步计算了疲劳累积损伤。
结果表明危险部位螺栓的疲劳寿命满足要求;工程算法在粗算法兰联接螺栓疲劳寿命时计算成本低,实用性强,在确定整圈螺栓危险部位时具有优势;有限元法在精算危险部位螺栓的疲劳寿命时精确度高。
【相关文献】[1] 王为辉,李娅娜,王春燕.基于VDI2230-2003标准的动车组车钩联接螺栓强度分析[J].大连交通大学学报,2015,36(2):22～25.[2] Schmidt H,Winterstetter T A,Kramer M.Nonlinear elastic behavior ofimperfect,eccentrically tensioned L-flange ring joints with pre-stressed bolts as basis for fatigue design[C].Proceedings of European Conference on ComputationalMechanics[C],Munich,Germany,1999.[3] 彭文春,邓宗伟,高乾丰等．风机塔筒流固耦合分析与受力监测研究[J].工程力学,2015,32(7):56～61.[4] Germanischer Lloyd in cooperation with the Wind Energy Committee.Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z].Hamburg:Germanischer Lloyd,2010.[5] 龙凯,贾娇,肖介平.基于Schmidt-Neuper算法塔筒螺栓疲劳强度研究[J].太阳能学报,2014,35(10):1904～1910.[6] 张媛,孙鹏文,李建东.基于损伤力学的风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命分析[J].内蒙古工业大学学报(自然科学版),2016,35(1):12～17.[7] 赵少汴.常用累积损伤理论疲劳寿命估算精度的试验研究[J].机械强度,2000,22(3):206～209.[8] 刘丽君.螺栓球节点网架用高强螺栓的疲劳影响因素及缺口效应分析[D].太原:太原理工大学,硕士学位论文,2003.[9] Zhao H.Analysis of the load distribution in a bolt-nut connector[J].Computers & Structures,1994,53(6):1465～1472.。
风机塔筒的型式
风机塔筒的型式风机塔筒是风力发电机组的核心组成部分之一，其主要作用是支撑风机转子和风机发电机，并提供良好的气流通道，以便将风能转化为电能。
风机塔筒的型式多样，不同的型式适用于不同的地理环境和风能资源。
一、水泥塔筒水泥塔筒是一种常见的风机塔筒型式。
其主要特点是结构坚固、稳定性好，能够承受较大的风载荷。
水泥塔筒一般由多段水泥筒体组成，每段筒体之间通过螺栓连接。
水泥塔筒的建造需要借助大型施工机械和专业施工队伍，工期较长且成本较高。
但由于其耐久性好，使用寿命长，是风力发电场常用的塔筒型式之一。
二、钢管塔筒钢管塔筒是另一种常见的风机塔筒型式。
与水泥塔筒相比，钢管塔筒的建造更加简便，施工周期短，成本相对较低。
钢管塔筒一般由多节钢管组成，通过焊接或螺栓连接。
钢管塔筒的优点是重量轻、抗风能力强，适用于复杂多变的地理环境。
然而，钢管塔筒的寿命相对较短，需要定期检查和维护，以确保其安全可靠运行。
三、混凝土塔筒混凝土塔筒是近年来新兴的风机塔筒型式之一。
混凝土塔筒的建造相对简单，成本较低，同时具有较好的耐久性和抗风能力。
混凝土塔筒的制造过程中，可以采用钢筋混凝土或预应力混凝土等材料，以增加其强度和稳定性。
混凝土塔筒的优点是耐久性好，使用寿命长，适用于各种不同的地理环境和气候条件。
四、复合材料塔筒复合材料塔筒是近年来的发展趋势之一。
复合材料塔筒采用高强度的玻璃纤维增强塑料或碳纤维增强塑料制造，具有重量轻、耐腐蚀、绝缘等优点。
复合材料塔筒的建造相对简单，可以在工厂预制后运输到现场进行组装。
然而，复合材料塔筒的制造技术相对较新，需要进一步研发和验证其可靠性和安全性。
五、其他型式除了上述常见的风机塔筒型式外，还有一些其他型式的风机塔筒，如木塔筒、塑料塔筒等。
这些型式的塔筒主要适用于小型风力发电机组或特殊环境下的应用。
风机塔筒的型式多样，不同的型式适用于不同的地理环境和风能资源。
在选择风机塔筒型式时，需要考虑到风能资源、地理环境、建造成本、使用寿命等因素，并根据实际情况做出合理的选择。
兆瓦级风电机组塔筒法兰螺栓连接强度计算实例_王娜
，其中，应力面积
通过 Bladed 对上式进行多通道合并以及雨流计数，得到 考虑预紧力的螺栓所受拉力
m 4 时螺栓等效疲劳拉应力
[ ] 为螺栓等效应力，根据 GL 规范要求，在未考虑螺栓所 受弯矩影响的情况下，螺栓疲劳等级取 36Mpa。按照许用疲劳 应力验算螺栓的疲劳强度是否满足设计要求。
根据 S-N 曲线： ( ) m N Const 得 : ( 2 E 6 ) m N 2 E 6 ( 5 E 6 ) m N 5 E 6 代入数据得 : 解得 : 为了计算得便捷，在满足 GL 规范要求的前提下，对 S-N 曲线进行一定的简化，但要保证简化后的 S-N 曲线比 GL 规范 要求的更为保守，在这里取 S-N 曲线斜率 m
螺栓最大拉应力为 考虑预紧力的法兰所受压力
螺孔位置应MPa
w孔
颈
F Z a b F b Z / C颈
w颈 s
151MPa
4 进行计算，
根据弹性理论和以上数据判断法兰螺栓连接是否满足强度 要求。
本文利用螺栓连接的强度计算方法，以某兆瓦级风电机塔 筒的法兰螺栓连接为实例进行分析计算，证实塔筒中上部法兰 连接满足疲劳强度要求。本文的计算方法可以应用于校核其他 结构相似的、具有较大载荷的螺栓组强度与寿命。
Z Z
— 91 —
FS 428925 0.197 Z
a ＝ 1.33； b
根据应力公式，螺栓应力为： ASP=817m2 将代入计算得： 根据弹性理论，需要求解螺栓的最大拉应力和法兰的最小 压应力，要求最大拉应力小于螺栓许用应力，法兰最小压应力 大于 0；还需求解螺栓孔位置的最大正应力和法兰颈部的最大正 应力，两者应小于法兰材料的许用应力。根据以上参数求得： 螺栓所受载荷
风机塔筒螺栓紧固及补全方案
风机塔筒螺栓紧固及补全方案风机塔筒是风力发电设备的重要组成部分之一，其稳固性和安全性对整个风力发电系统的运行非常重要。
螺栓紧固及补全方案是确保风机塔筒结构安全稳固的关键步骤之一。
螺栓紧固是指通过螺栓将塔筒各部分连接紧固，以保持结构的整体稳定性和安全性。
在进行螺栓紧固时，需注意以下几点：1.螺栓选择：选择合适的螺栓材质和规格是保证螺栓紧固效果的前提。
常用的螺栓材质有8.8级和10.9级，根据实际情况选择。
2.螺栓预紧力控制：在螺栓紧固过程中，需要控制螺栓的预紧力，避免过紧或过松。
过紧会导致应力集中，导致螺栓断裂，过松则会影响整体结构的稳定性。
根据设计规范计算螺栓的预紧力，并确保在施工过程中达到预期值。
3.螺栓拧紧顺序：在螺栓紧固时，需要按照特定的顺序进行拧紧，以保证力的均匀分布。
一般采用交叉拧紧法，即先按每个连接点的中心对角线方向交叉拧紧，再按顺时针方向依次拧紧。
除了螺栓紧固，补全方案也是确保风机塔筒安全稳固的重要环节。
风机塔筒常见的补全方案主要包括以下两个方面：1.填充材料选择：在风机塔筒的连接部分，常常使用填充材料进行补全，以确保连接部分的紧密性和稳定性。
常用的填充材料有钢筋混凝土、聚合物填料等。
根据实际情况选择合适的填充材料，并确保填充材料与结构材料之间的粘结力，以提高连接部分的强度和稳定性。
2.连接方式的改进：在设计风机塔筒时，可以考虑采用一些改进的连接方式，以提高塔筒的整体稳定性。
例如，可以采用梁板连接方式，通过将梁板与塔筒进行焊接或螺栓连接，增加连接点的数量和稳固性。
总之，螺栓紧固及补全方案是确保风机塔筒结构稳固性和安全性的关键步骤之一，要注意螺栓的选择、预紧力的控制和拧紧顺序，同时采用合适的填充材料和改进的连接方式，以提高整体结构的稳定性和安全性。
基于ANSYS软件的螺栓法兰连接结构应力和疲劳分析
基于ANSYS软件的螺栓法兰连接结构应力和疲劳分析徐静;薛欣玮;卢健【摘要】为保证风力发电机在恶劣的自然环境中可靠运行,需要对风力发电机塔架转接段法兰进行应力和疲劳分析.应用ANSYS有限元软件对风力发电机塔架的螺栓法兰连接结构进行应力分析,分析结果显示:当施加载荷时,法兰和螺栓中都出现应力集中;随着载荷的增大,法兰还出现弯曲现象;外侧螺栓产生的应力小于对应内侧螺栓产生的应力,可见内侧螺栓受到的影响较大,应特别注意.通过疲劳分析,确认选择35CrMoA合金钢材作为螺栓法兰结构的整体材料符合使用要求,为螺栓法兰结构选材提供了理论依据.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2018(056)012【总页数】4页(P17-20)【关键词】螺栓;法兰;连接;应力;疲劳;计算机【作者】徐静;薛欣玮;卢健【作者单位】西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TH131.31 研究背景随着全球大气污染越来越严重，清洁环保的风能发电成为人们竞相研究的热点［1-2］。
风力发电机组一般都安装在风力资源较为充沛、自然环境较为恶劣的野外［3-4］，为了保证风力发电机在复杂的自然环境中能够可靠运行，对连接塔架各筒身的螺栓法兰连接结构进行应力分析及疲劳寿命评估是必不可少的工作［5］。
近20年来，国内外学者主要集中于对风力发电机连接塔架的标准碳钢法兰设计及垫片性能的研究［6-7］。
螺栓法兰在制造过程中，材料内部会存在一些缺陷，如气孔、夹杂和裂纹等，这些缺陷会严重影响法兰的使用寿命，如果法兰和螺栓出现损伤，那么会影响整个风力发电机的性能［8］。
因此，笔者对螺栓法兰连接结构进行材料选择，并利用ANSYS软件对其进行应力及疲劳寿命分析，为结构设计和优化分析等后续研究工作提供理论依据。
2 螺栓法兰连接结构及材料选择风力发电机塔架上的螺栓法兰连接结构由上法兰、下法兰、垫片和螺栓组成，在这一结构中，螺栓与螺母紧固，用于连接上、下两个法兰，法兰上分布着内、外侧螺栓。
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风能发电机组结构件的失效分析与预防(待续)第1讲螺栓的失效分析与预防WANG Rong【摘要】对风能发电机组的结构进行了简单介绍,对其上经常失效的结构件以及其材料、热处理工艺和失效形式进行了归纳.选取了机组上应用数量较多、作用比较重要的高强度螺栓作为该讲的主要内容,对螺栓在机组上的应用特点、失效特点、结构特点、受力特点及其失效原因进行了较为详细的论述.结合多年的失效分析经验,采用实际案例的方式,重点介绍了机组上螺栓最常出现的两种失效形式——疲劳断裂和氢脆型断裂,并对这两种失效产生的根本原因进行了剖析,最后提出了避免机组上螺栓失效的预防措施.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2019(055)006【总页数】10页(P371-380)【关键词】风能发电机组;结构件;高强度螺栓;失效分析;疲劳断裂;氢脆断裂【作者】WANG Rong【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TM614;TG115风能发电机组(以下简称为风电机组或机组,WTGS)的结构如图1所示，经常失效的结构件主要分布于“轮毂”总成、“齿轮箱”总成和“偏航系统”总成3个区域，另塔筒内法兰上的连接螺栓也有较多的失效事故发生。
笔者主要对风能发电机组上失效概率最高的3种构件，即螺栓(第1讲)、齿轮(第2讲)和轴承(第3讲)的失效模式、失效原因以及相应的预防措施进行了概述。
1 风能发电机组概述1.1 机组上经常失效的结构件图1 风能发电机组结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of the WTGS风能发电机组上常见的失效件有：齿圈、齿轴、齿轮、销轴、轴承、高强度螺栓等。
1.2 失效件受力特点(1) 无风时，机组的叶片停止不动，相当于一个悬臂梁结构。
但由于叶片的质量较大(一般MW级别的机组叶片长度达50多米，重量在20 t以上。
目前世界上风电机组上最长的叶片是丹麦Vestas的V164-7MW风机，叶轮直径长164 m，单个叶片长80 m)，轮毂及其连接部分的螺栓、相互配合的齿轮及轴承等都将承受较大的静载荷。
大型风力发电机塔筒的失效分析与制造工艺过程控制
大型风力发电机塔筒的失效分析与制造工艺过程控制摘要：本文通过两个风电场风机塔筒失效案例，分析了大型风机塔筒基础环的结构薄弱点，提出了基础环法兰结构的优化方案。
为保证大型风机安全运行，指出在塔筒制造的关键工序中进行工艺过程控制和质量监督的具体措施。
关键词：大型风机；基础环；结构优化；工艺控制风能可再生、取之不尽的洁净能源，随着能源的持续紧张和人们环保理念的加强，风能因其开发利用技术相对成熟，经济性较高而受到各能源公司、发电企业的青睐。
塔筒是风力发电机组的基础设备，用来支撑机舱及风力发电机部件，使风力发电机风轮中心达到设计•工作高度。
一般塔筒要求具有足够的疲劳强度，承受机组启停、风况变化等周期性疲劳载荷的影响。
因此塔筒的制造、安装质量直接关系到整个风力发电机组的设备安全与可鼎运行。
2大型风机塔筒失效风力发电机组塔筒在运行中不仅承受塔筒自身和发电机组重力，还受到风轮旋转所产生的周期性载荷和自然随机风载的多重作用［1］。
风力塔筒在外界多重力的作用下最大应力分布于于塔筒与混凝土基础连接的部位，塔筒结构上薄弱点是连接法兰与塔筒对接焊缝、壁厚变截面处。
风电机组建造时，混凝土基础与塔筒基础环浇筑成为一体，因此整个风机塔筒的最大应力主要分布在塔筒基础部位对接焊缝和壁厚变截面处，内蒙古科技大学闻洋进行的按比例缩放塔筒拟静力试验, 塔筒破坏过程中，应力测点验证了当这些部位应力远超出了屈服应力时，其余部位均为达到屈服点［2］。
2.1风机塔筒基础环开裂某甲风电场装机24x2MW大型风电机组，塔高80米，基础环直径4.2米，筒体周长约13.2米，基础环筒体壁厚42mm。
2015年8月份，该风电场工作人员巡检时发现1号风机基础环塔筒开裂，开裂位于基础环与法兰对接焊缝的法兰一侧母材，裂纹贯穿塔筒壁厚。
外壁裂纹长约1・9米，占全周长的14.4%,外壁裂纹张口约2mm,可塞入钢锯条，见图2.1,塔筒内壁裂纹长约3.6米，占全周长的27.3%o1号风机塔筒基础环焊缝金相组织为魏氏体组织，为焊接过程热输入过大所致；焊缝硕度165HB.熔合线硬度207HB,母材硬度仅为140HB,熔合线硬度高于焊缝和母材，此种组织状态组织和硬度分布会降低材料的塑性和冲击韧性，使熔合线附近材料的抗疲劳性能大幅下降，在长时间高疲劳应力运行条件下极易发生开裂。
风力发电机塔筒结构的优化设计与动力学分析
风力发电机塔筒结构的优化设计与动力学分析风力发电作为一种可再生能源的代表，受到了越来越多的关注和应用。
而风力发电机塔筒作为风力发电的重要组成部分之一，其结构设计和动力学特性对风力发电机的高效运行至关重要。
在风力发电机塔筒结构的优化设计方面，可以从以下几个方面进行考虑。
首先是材料的选择。
传统的风力发电机塔筒主要采用钢材作为结构材料，但是钢材在重量和成本方面存在一定的局限性。
近年来，一些新型复合材料如碳纤维复合材料等逐渐应用到风力发电机塔筒的结构设计中。
这些新材料具有较高的强度和轻质化的特点，可以有效减轻塔筒的重量，提高风能利用效率。
其次是结构的优化设计。
风力发电机塔筒的结构应该具备足够的刚度和稳定性，以抵抗风力的作用和外界环境的影响。
在结构的优化设计中，可以采用最小重量设计、最优形状设计等方法，通过优化结构的参数和形状，减小塔筒的重量和阻力，提高风力发电机的运行效率。
此外，对于大型风力发电机塔筒的结构设计，还需要考虑地震和风荷载等动力学因素。
地震是塔筒结构设计中不可忽视的因素之一。
地震荷载对风力发电机塔筒的作用会导致结构产生振动，对于结构的破坏性能有着重要影响。
因此，在设计阶段应当充分考虑地震荷载的作用，采取相应的抗震措施，提高结构的抗震性能。
同时，塔筒结构还要经受住风荷载的考验。
风荷载对于风力发电机塔筒的作用是很大的，尤其是在海上风力发电场的情况下。
海上环境下的风荷载受到风速、风向和海浪等因素的影响，对塔筒结构的疲劳寿命和稳定性有着重要的影响。
因此，在设计中应当合理预测和评估风荷载的作用，并采用相应的设计方法和材料，保证塔筒结构的安全可靠性。
除了结构设计外，动力学分析也对风力发电机塔筒的优化起着重要作用。
动力学分析可以帮助我们了解风力发电机塔筒在运行过程中的振动特性和动力响应。
通过分析塔筒结构的固有频率、模态振型、应力分布等，可以优化结构参数，减小振动幅值，提高塔筒的动力响应性能。
同时，动力学分析还可以为风力发电机塔筒的疲劳寿命评估提供依据，合理控制运行过程中的振动幅值，延长结构的使用寿命。
风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析_张君
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
图 ４ 螺 栓 心 部 显 微 组 织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｌｔ ｃｅｎｔｅｒ
０．００８
０．００５
０．９６５
０．１５８
０．０１４
０．００３
螺栓心部
０．３６９
０．２５１
０．５４２
０．００８
０．００４
０．９３９
０．１５５
０．０１３
０．００２
标准值 ０．３２～０．４０ ０．１７～０．３７ ０．４０～０．７０ ≤０．０３５
≤０．０３５ ０．８０～１．１０ ０．１５～０．２５ ≤０．０３０
２ 综 合 分 析
螺栓机械加工 完 毕 后，要 进 行 淬 火 和 高 温 回 火 处理，并期得到理 想 的 回 火 索 氏 体 组 织。 然 而 化 学 成 分 分 析 结 果 显 示，螺 栓 表 面 的 碳 含 量 仅 为 ０．００９％ ，远 远 低 于 标 准 值 （０．３２％ ～０．４０％ ）和 心 部 的碳含量 ０．３６９％。 由 金 相 检 验 结 果 也 可 知，螺 栓 心部显微组织为细 小 的 回 火 索 氏 体，螺 栓 表 层 则 为 铁 素 体 ；说 明 螺 纹 表 面 发 生 了 全 脱 碳 ，且 脱 碳 层 深 度 较大。显微硬度测 试 结 果 显 示，螺 栓 表 面 硬 度 约 为 １３０ ＨＶ，心部 硬 度 约 为 ３７０ ＨＶ，进 一 步 证 明 螺 栓 表面发生了严重 的 脱 碳。 该 螺 栓 经 过 了 淬 火、高 温 回 火 处 理 ，在 淬 火 加 热 保 温 过 程 中 ，热 处 理 炉 内 碳 浓 度 过 低 ，导 致 零 件 表 面 脱 碳 ，待 整 个 试 样 完 全 奥 氏 体 化 后 ，表 面 形 成 了 超 低 碳 的 奥 氏 体 ，在 淬 火 冷 却 过 程 中 ，螺 栓 心 部 转 变 为 马 氏 体 ，而 螺 栓 表 面 则 转 变 为 铁 素体。在随后的高 温 回 火 过 程 中，马 氏 体 中 析 出 弥 散 细 小 的 碳 化 物 ，螺 栓 心 部 组 织 转 变 为 回 火 索 氏 体 ， 具有良 好 的 综 合 力 学 性 能，而 螺 栓 表 面 仍 然 为 铁 素 体［３－４］。 一 般 来 说 ，螺 栓 螺 纹 根 部 是 应 力 集 中 部 位 ，该 螺 栓表面脱碳，导致了 螺 纹 表 面 硬 度 和 强 度 的 大 大 降 低 。 另 外 螺 栓 在 安 装 时 ，预 紧 力 不 均 匀 ，导 致 受 力 较 大的螺栓在服役过程中风力和风叶转动产生的循环 冲击载荷作用下，于 螺 纹 根 部 出 现 裂 纹 并 疲 劳 扩 展 直至断裂 。 ［５］
风力发电机组机舱的安装与调试教学课件：螺栓的紧固
垫片内孔倒角必须朝向栓头和螺母。见图5.2.5-3
图5.2.5-3螺栓垫片安装图
• 螺纹装配工具可分为手动和机动两种。手动工具除一般常用的扳手和 螺钉旋具外，尚有各种专用扳手等。机动工具有电动扳手，液压扳手和 气动扳手。机动工具能提高劳动生产率和降低劳动强度，对大型螺栓来 说，其意义很大。
• 成组螺纹联接的零件，拧紧螺栓必须按照一定的顺序进行，并做到 粉刺逐步拧紧。这样有利于保证螺纹间均匀接触，贴合良好，螺栓间承 载一致。
螺栓紧固应按照交叉、对称、逐步、均匀原则进行
表2-11-所有螺栓约700Nm-1000Nm。见图5.2.5-4、图5.2.5-5
螺栓的紧固
• 风机系统中采用的均为高强度螺栓，螺栓联接装配是螺栓与螺母应正 确的旋紧、螺栓和螺钉在联接中不应有歪斜和弯曲的情况、锁紧装置 可靠。拧得过近的螺栓联接将会降低螺母的使用寿命和栽螺栓中产生 过大的应力。为了使螺纹连接在长期工作条件下能保证结合零件的稳 固，必须给予一定的拧紧力矩。
• 安装时的基本要求： • 1）螺母应能用手轻松地选入； • 2）螺纹的表面必须光滑； • 3）螺栓数量多时，应按一定顺序来拧紧，并应分次逐步拧紧，即先把
图5.2.5-4螺栓预拧紧顺序
图5.2.5-5螺栓预拧紧顺序
风力发电塔筒高强度螺栓标准
风力发电塔筒高强度螺栓标准
风电高强度螺栓是风力发电机组中的重要紧固件，其质量和性能对风力发电机组的安全和稳定性有着至关重要的影响。
针对风电高强度螺栓的标准，不同国家和地区可能会有不同的标准要求。
在中国，风电高强度螺栓的标准主要参考GB/T 《钢结构用高强度大六角头螺栓》和GB/T 《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》等国家标准。
这些标准对风电高强度螺栓的尺寸、公差、机械性能、表面处理和检验方法等方面都做出了具体规定。
具体来说，风电高强度螺栓的强度等级一般采用级或级，其抗拉强度和屈服强度等机械性能必须符合国家标准规定。
同时，螺栓的表面处理也必须符合要求，如镀锌、镀铬等，以提高其耐腐蚀性能和抗磨损性能。
此外，风电高强度螺栓的检验方法也必须符合国家标准规定，包括外观检查、尺寸检查、硬度试验、拉伸试验、冲击试验和疲劳试验等。
这些检验方法可以有效保证风电高强度螺栓的质量和可靠性。
总之，针对风电高强度螺栓的标准，必须遵循国家和行业的相关标准要求，严格控制其质量和性能，以确保风力发电机组的安全和稳定性。