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风力发电机组橡胶减振器的有限元仿真分析
作者:株洲时代新材 林胜 袁健
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CAE/模拟仿真展厅
通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ...
摘要:本文用有限元方法通过ANSYS 软件对JF600 型风力发电机组的电机减振器进行了仿真计算分析,以确定减振器产品橡胶材料的选用。另外通过对减振器刚度的试验值和有限元方法的计算值对比分析,评价了有限元模型和产品试验方法的正确性。
关键词:风力发电机橡胶减振器 有限元仿真

1. 前言

随着全世界风力发电装机容量的快速发展和风力发电机技术的成熟和不断完善,风力发电越来越成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。利用风力发电能为人们提供洁净的能源,但由发电机组工作时产生的振动及振动所引起的噪声问题也不容忽视。为减小机械部件的振动,通常采用弹性连接代替刚性连接,如在电机和齿轮箱与机舱之间安装橡胶弹簧减振器来降低电机和变速箱产生的振动向机舱传递。本文运用有限元分析技术对JF600 型发电机组的电机减振器进行了仿真分析计算,来验证产品的试验方法,并对产品设计过程中关键材料—橡胶的配方设计提供指导依据。

2 减振器产品结构

JF600 机组电机减振器是由金属和橡胶组成的金属—橡胶复合减振器,主要由1 上连接板、2 橡胶弹簧、3 下安装板等主要部分组成,如图1 所示,橡胶弹簧采用斜置式,同时承受压缩和剪切变形。产品外形见图2。

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图 1 600kW 发电机减振器剖示图

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图 2 产品实物照片图

3 有限元分析过程

3.1 材料参数

材料参数是影响有限元分析结果的关键因素之一,对于橡胶产品的分析这一点尤其重要,所以橡胶材料力学性能正确的试验方法和准确的试验数据是保证产品有限元分析计算结果有效性的基础。为了得到准确的试验数据,株洲时代新材料科技股份有限公司委托美国AXEL 实验室做了4 种配方的材料力学性能试验,本文以其中1 种配方试验数据为例来对产品结构进行仿真分析计算。

天然橡胶材料因产品的加卸载过程耗能少,因此,可近似认为橡胶材料是超弹性材料,对于超弹性材料,分析计算时不用杨氏模量和泊松比表示应力——应变关系,而用应变势能(U)来表示应力—应变关系。应变势能表达式如下:

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式中:
U—应变势能
Jel—弹性体积比
i1、i2—应变不变量
Di—定义材料的压缩性
Cij—Rinvlin 系数

本文利用 ANSYS5.7 版本的Odgen(N=3)的模型进行分析。图3 列出了减振器所用的一种橡胶材料的力学性能试验数据,即单轴拉伸、双轴拉伸和平面拉伸三种试验数据。

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图 3 橡胶试样的三种拉伸试验曲线

3.2 有限元模型

本次分析采用 ANSYS 有限元分析软件对产品进行垂向性能分析。根据产品的结构和载荷特点,采用轴对称平面单元56 模拟橡胶结构、轴对称平面单元42 模拟铁件结构,有限元模型如图4 所示:

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图 4 电机减振器有限元模型

3.3 约束与载荷

如图 5 所示,在减振器下连接板的底部完全约束,在上连接板的上表面施加垂向载荷。

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图 5 约束及载荷示意图

3.4 分析结果

由图 6 可知,产品在垂向载荷作用下橡胶发生剪切和压缩变形,由于橡胶泊松比接近0.5,几乎不可压缩,若垂向变形较大,橡胶将会从上下端面逐渐向外鼓。由图7 可知铁件在该载荷作用下,下安装板上的最大应力为15.4MPa,如图中圆圈所示;其次受力较大的为橡胶弹簧重的3 片隔片,上安装板的应力最小。

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图 6 产品垂向承载10.5kN 变形分布图 图7 产品在承载10.5kN 时铁件应力分布图

由图 8 可知橡胶上的最大应力为1.08MPa,各层橡胶在该载荷下的应力均较小。由图9 可知产品的刚度具有一定的非线性,随着载荷的增大刚度有所增加,其中垂向变形0~1 ㎜之间的刚度计算值为7.83kN/mm。

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4 试验结果

按株洲时代新材料科技股份有限公司的企标 QB001-1996,采用万能试验机对JF600 型电机减振器产品进行刚度试验,当变形在0~1mm 之间时,产品的刚度试验值为9.4kN/mm。由上文的仿真计算结果可知,变形在0~1mm 之间时,产品的刚度计算值为7.83kN/mm,仿真分析计算值与试验值相差约17%左右。仿真结果与试验结果有一定的误差,主要原因是橡胶减振器成型工艺较复杂,硫化过程中温度、压力以及硫化时间等的变化对橡胶材料性能有较大影响,因此产品中的橡胶材料的力学特性与试样材料的力学特性不能保证完全相同;其次是有限元分析中的模型进行了简化、载荷约束条件的施加与试验室试验时也不可能完全一致的原因。

5 结论分析

· 该产品的用户提出设计刚度为 8.5kN±15%,从计算结果7.83kN/mm 和试验结果9.4 kN/mm 可知,本文计算的橡胶减震器所选用的橡胶材料能满足设计要求;

· 仿真计算结果与试验结果存在一定的误差,但基本可以满足工程设计的需要,因此仿真分析为橡胶减振器的设计提供了捷径;

· 随着仿真技术不断地应用于橡胶减振器的结构分析,可以提高国内减振器产品的设计水平,缩短开发周期和减少开发成本。

参考
1 风力发电机机舱的静、动态特性有限元分析 谢峰 合肥工业大学机械与汽车学院
2《橡胶件的工程设计及应用》 龚积球 上海交通大学
3《有限单元法原理与应用》 朱伯芳 水利电力出版社
4 ANSYS User’s Manual , Theory, Swanson Ansys System, Inc.(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/8/2011)
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