本發(fā)明涉及一種風(fēng)機(jī)總體模型的建模及仿真方法,屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
目前對風(fēng)機(jī)各部件進(jìn)行極限和疲勞計算時,針對不同的部件往往需要建立不同的有限元模型,這使得計算量增大且重復(fù)建模;此外由于部件間的差異,在計算時載荷路徑往往不完整,這使得最終的計算結(jié)果與實際結(jié)果不同。以往的模擬模型較為簡單,沒有考慮偏航軸承和齒輪箱的影響,而僅僅將塔頂載荷施加在主機(jī)架上,這一方面容易引起應(yīng)力集中,另一方面也不符合載荷的傳遞路徑。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)機(jī)總體模型的建模方法,以解決目前風(fēng)機(jī)所建模型無法反映真實載荷傳遞路徑的問題,同時,本發(fā)明還提供了一種風(fēng)機(jī)總體模型的仿真方法,以解決風(fēng)機(jī)總體模型中相應(yīng)部件強(qiáng)度性能計算性能差的問題。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供一種風(fēng)機(jī)總體模型的建模方法,該建模方法包括以下步驟:
1)建立包含有與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型,該模型中的相關(guān)所有部件包括輪轂、主軸、鎖緊盤、主軸承、齒輪箱箱體、彈性支撐、主機(jī)架、后機(jī)架、偏航齒輪箱、偏航軸承、偏航剎車盤、塔頂法蘭、偏航剎車鉗和塔筒;
2)將所建立的風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件,對模型中的各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配,建立有限元模型,并通過有限元軟件設(shè)定模型中各部件的類型和材料屬性;
3)將各部件之間按照綁定接觸進(jìn)行連接。
進(jìn)一步地,所建立的有限元模型還包括對發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜的模擬,所述發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜采用Mass21單元來模擬。
進(jìn)一步地,所建立的有限元模型還包括對發(fā)電機(jī)彈性支撐的模擬,所述發(fā)電機(jī)彈性支撐采用3個方向的Combine14單元來模擬,彈性支撐在不同方向上的剛度系數(shù)通過關(guān)鍵字設(shè)置。
進(jìn)一步地,所述的偏航齒輪箱與偏航軸承之間通過Link10單元來模擬,偏航軸承滾珠使用Link10單元來模擬,主軸承滾珠使用Link8單元來模擬,Link10和Link8單元的截面屬性根據(jù)偏航軸承和主軸承滾珠的剛度計算,并按照滾珠數(shù)目設(shè)定單元數(shù)目,根據(jù)偏航軸承的受力特性,通過關(guān)鍵字設(shè)定Link10單元只受壓不受拉。
進(jìn)一步地,所述輪轂中心與輪轂之間利用Beam4單元載荷傘模擬,輪轂中心載荷通過載荷傘傳遞到輪轂。
本發(fā)明還提供了一種風(fēng)機(jī)總體模型的仿真方法,該仿真方法包括以下步驟:
A.對所建立的風(fēng)機(jī)有限元模型施加載荷和邊界約束條件;
B.設(shè)定單位工況,將上述模型帶入設(shè)定的單位工況進(jìn)行仿真計算;
所述步驟A中的風(fēng)機(jī)有限元模型包含有與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型,是將所建立的風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件,并對各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配得到,所述模型中相關(guān)所有部件包括輪轂、主軸、鎖緊盤、主軸承、齒輪箱箱體、彈性支撐、主機(jī)架、后機(jī)架、偏航齒輪箱、偏航軸承、偏航剎車盤、塔頂法蘭、偏航剎車鉗和塔筒。
進(jìn)一步地,所述的邊界約束條件為塔底全約束。
進(jìn)一步地,所述的載荷為單位載荷,載荷的傳遞是通過在輪轂中心建立節(jié)點(diǎn),在該節(jié)點(diǎn)上施加單位載荷,使用Beam4單元載荷傘將該輪轂中心與輪轂3大面連接。
進(jìn)一步地,所建立的有限元模型還包括對發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜的模擬,所述發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜采用Mass21單元來模擬。
進(jìn)一步地,所建立的有限元模型還包括對發(fā)電機(jī)彈性支撐的模擬,所述發(fā)電機(jī)彈性支撐采用3個方向的Combine14單元來模擬,彈性支撐在不同方向上的剛度系數(shù)通過關(guān)鍵字設(shè)置。
本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明首先建立包含有與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型;然后將所建立的風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件,對模型中的各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配,并通過有限元軟件模擬各部件,建立相應(yīng)的有限元模型。本發(fā)明采用總體建模的思想,根據(jù)載荷傳遞路徑,將與載荷傳遞相關(guān)的部件均考慮在模型中,由于模型完整,提高了計算風(fēng)機(jī)總體模型中相應(yīng)部件強(qiáng)度性能的精準(zhǔn)性。
附圖說明
圖1是總體模型示意圖;
圖2是本發(fā)明實施例中主軸承模型示意圖;
圖3是本發(fā)明實施例中偏航軸承模型示意圖;
圖4是本發(fā)明實施例中載荷傘部分模型示意圖;
圖中:輪轂1、主軸2、鎖緊盤3、主軸承4、齒輪箱箱體5、彈性支撐6、主機(jī)架7、后機(jī)架8、偏航齒輪箱9、偏航軸承10、偏航剎車盤11、塔頂法蘭12、偏航剎車鉗13、塔筒14、主軸承滾珠15、偏航軸承滾珠16、發(fā)電機(jī)17、機(jī)艙柜18、發(fā)電機(jī)彈性支撐19、載荷傘20。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明一種風(fēng)機(jī)總體模型建模方法的實施例。
本發(fā)明采用總體建模的思想,根據(jù)載荷傳遞路徑,將與載荷傳遞相關(guān)的部件均考慮在模型中,利用通用CAD軟件和有限元軟件進(jìn)行建模,定義各個部件的材料屬性和部件間的連接關(guān)系。該方法的具體實施過程如下:
1.建立包含與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型。
本發(fā)明以現(xiàn)有的CAD軟件為平臺建立風(fēng)機(jī)總體三維模型,該三維模型包括包含與載荷傳遞相關(guān)所有部件,具體為:輪轂1、主軸2、鎖緊盤3、主軸承4、齒輪箱箱體5、彈性支撐6、主機(jī)架7、后機(jī)架8、偏航齒輪箱9、偏航軸承10、偏航剎車盤11、塔頂法蘭12、偏航剎車鉗13和塔筒14。
2.將所建立的上述風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件,對模型中的各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配,建立有限元模型。
本實施例在有限元軟件里對上述部件分別劃分網(wǎng)格,在不影響整體剛度分布的前提下,刪除了模型的倒角、圓角及小孔特征。
3.設(shè)定模型中各部件的類型和材料屬性。
本實施例通過有限元軟件中施加相應(yīng)的材料屬性,其中輪轂1、齒輪箱箱體5、主機(jī)架7和偏航剎車盤11采用QT350,主軸2、鎖緊盤3、主軸承4、后機(jī)架8、偏航齒輪箱9、偏航軸承10、塔頂法蘭12、偏航剎車鉗13、塔筒14采用鋼,彈性支撐6采用各向異性材料。
4.設(shè)定各部件的關(guān)系。
輪轂1與主軸2之間、主軸2與鎖緊盤3之間、主軸2與主軸承4之間、主軸承4與齒輪箱箱體5之間、彈性支承6與齒輪箱箱體5之間、彈性支承6與主機(jī)架7之間、主機(jī)架7和后機(jī)架8之間、主機(jī)架7和偏航齒輪箱9之間、主機(jī)架7和偏航軸承10之間、偏航軸承10與偏航剎車盤11之間、偏航剎車盤11與塔頂法蘭12之間、偏航剎車盤11與剎車鉗13之間、塔頂法蘭12與塔筒14之間采用綁定進(jìn)行處理。
偏航齒輪箱9與偏航軸承10之間通過Link10單元來模擬,偏航軸承滾珠16使用Link10單元來模擬,主軸承滾珠15使用Link8單元來模擬,Link10和Link8單元的截面尺寸根據(jù)滾珠的實際數(shù)量、模擬數(shù)量和滾珠的實際直徑而定,偏航軸承的受力特性通過關(guān)鍵字設(shè)定Link10單元只受壓不受拉。輪轂中心與輪轂1之間利用Beam4單元載荷傘模擬,輪轂中心載荷通過載荷傘20傳遞到輪轂1。
本發(fā)明增加了主軸承、偏航軸承和齒輪箱的模擬,輪轂中心載荷通過主軸承傳遞給齒輪箱,齒輪箱通過彈性支承傳遞給主機(jī)架,主機(jī)架通過螺栓傳遞給偏航軸承內(nèi)圈,偏航軸承內(nèi)圈傳遞給外圈,再傳遞給塔筒,構(gòu)成一個完整的載荷傳遞路徑,這個傳遞路徑與實際的載荷傳遞是相符的,本發(fā)明考慮到偏航軸承的非線性,建立了完整的載荷傳遞路徑,計算結(jié)果也更加準(zhǔn)確。本發(fā)明通過在偏航齒輪箱和偏航軸承外圈之間建立受壓不受拉的Link10單元實現(xiàn)了偏航力矩的傳遞。
由于發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜的質(zhì)量對極限計算和疲勞計算均有一定的影響,在上述建模的基礎(chǔ)上,本發(fā)明為了進(jìn)一步提高模型精確性,增加了發(fā)電機(jī)17、機(jī)艙柜18和發(fā)電機(jī)彈性支撐19的模擬,其中發(fā)電機(jī)17和機(jī)艙柜18通過Mass21單元來模擬,發(fā)電機(jī)彈性支撐19通過Combine14單元來模擬,發(fā)電機(jī)17與彈性支撐6之間通過Pipe16單元來模擬。
通過上述建模過程,得到的風(fēng)機(jī)總體模型如圖1所示,主軸承模型如圖2所示,偏航軸承如圖3所示,載荷傘部分如圖4所示。
本發(fā)明一種風(fēng)機(jī)總體模型仿真方法的實施例
本發(fā)明的仿真方法針對采用上述實施例中所建模得到的風(fēng)機(jī)總體模型,具體的仿真過程如下。
1.對所建立的風(fēng)機(jī)有限元模型施加載荷和邊界約束條件。
本實施例所針對的風(fēng)機(jī)有限元模型如圖1所示,具體的建模過程已在建模方法的實施例中進(jìn)行了詳細(xì)說明,這里不再贅述。邊界約束條件為對塔底進(jìn)行全約束;所施加的載荷可為18種單位載荷,載荷的傳遞是通過在輪轂中心建立節(jié)點(diǎn),在該節(jié)點(diǎn)上施加單位載荷,使用Beam4單元載荷傘將該中心與輪轂3大面連接。
2.設(shè)定單位工況,將上述模型帶入設(shè)定的單位工況進(jìn)行仿真計算;
本實施例定義18種單位工況,對這18種單位工況進(jìn)行計算,單位工況結(jié)果就是相應(yīng)部件的極限計算和疲勞計算的基礎(chǔ),具體的疲勞計算和極限計算采用的是常規(guī)技術(shù),這里不再詳述。
本發(fā)明采用總體建模的思想,根據(jù)載荷傳遞路徑,將與載荷傳遞相關(guān)的部件均考慮在模型中,由于模型完整,有利于精準(zhǔn)計算風(fēng)機(jī)總體模型中相應(yīng)部件的的強(qiáng)度性能,且可同時計算多個工況,有利于節(jié)省時間、節(jié)約成本,非常適于大范圍推廣。