摘要：为了实现某大型水平轴风电机组的外转子型发电机主轴的强度设计，应用有限元软件和疲劳分析软件，研究了有限元方法在极限强度与疲劳强度分析中的应用。基于Altair公司的HyperMesh软件建立了发电机的有限元模型，基于疲劳软件，计算分析了主轴的疲劳损伤, HyperView软件查看了主轴的疲劳强度。
关键词：发电机主轴,强度,损伤,HyperMesh, HyperView
0引言
由于风电机组在风力发电中占有主导地位，所以要求其具有高的安全可靠性。随着风电机组的大型化和工程实际的需要，为了保证风电机组在其设计寿命内正常运行，首先必须对风电机组的关键部件展开研究，所以，越来越多的人对风电机组的结构及结构强度进行了研究。在文献[1]中，运用了雨流循环计数法与Palmgren-Miner线性累积损伤理论相结合的方法，对MW级风电机组主轴进行了疲劳分析。在文献[2]中，以660kW的风电机组为例，对风电机组传动链中齿轮箱中的轴进行了疲劳分析。在文献[3]中，首先通过叶素动量理论计算了风电机组气动力学载荷，得到了轮毂上的极限等效载荷和疲劳等效载荷；后利用有限元软件和疲劳分析软件，对风电机组轮毂的疲劳强度进行了计算和分析；最后采用数学方法进行了轮毂结构优化分析，降低了轮毂质量。从众多的对风电机组结构强度的研究中可知，采用有限元软件进行结构强度的研究更加普遍。
建立了某大型水平轴发电机的有限元模型，应用有限元软件和疲劳分析软件，针对一个2.0MW直驱式风电机组外转子发电机主轴结构，研究了有限元方法在极限强度与疲劳强度分析中的应用。
1 发电机主轴极限强度研究
1.1 有限元模型的建立
外转子发电机主要包括主轴、回转支撑、定子支架、轴承等部分，根据发电机结构特点，基于HyperMesh软件对发电机的主要结构采用实体单元离散。各部分均尽可能采用网格协调的方法连接。最终的有限元模型共包含90623个节点，106680个单元，总体与零部件网格模型如图1所示。在局部塔筒段底面全约束，以消除整个模型的刚体位移。轴承中心的载荷值包括三个方向的力和力矩，根据GL2010认证规范设定工况和参数，在定子支架中心点处施加扭矩，在轴承中心处施加三个方向的力和两个方向的弯矩。
图1 直驱式发电机网格模型
1.2 极限强度
为了考察重力作用对计算结果的影响，模型分别计入两者不同影响。则不同极限工况下主要部件的最大应力、最大应力位置、安全系数统计如表1所示。
由表1可知，大小圆孔以及主轴后端是结构的薄弱环节，弯矩和扭矩是造成结构高应力的主要原因。最大应力值发生在Mz_max工况下，应力值为146.6MPa，小于材料的许用应力值173.92MPa，故此种主轴结构满足极限强度要求。
2发电机主轴疲劳强度研究
2.1 零部件的S-N曲线
根据GL2010规范5.B.2.1所述，材料的典型S-N曲线应作为疲劳分析的基础。但如果这样S-N曲线不能用于材料的疲劳分析，则需要利用合成的S-N曲线。在GL2010规范第五章附录5中，给出了风电机组常见零部件的设计S-N曲线合成方法。设计S-N曲线由三段组成，第一段是循环次数小于N1的低周疲劳直线段；第二段是指数斜率为m1，终止于ND的斜线段；第三段是指数斜率为m2的高周疲劳斜线段。
已知主轴结构参数包括有壁厚t=100mm，最小抗拉强度Rm=320MPa，表面粗糙度Rz=25μm，应力比R=-1。由于采用了有限元法对结构应力进行求解，方法本身能考虑应力集中效应，故而应力集中系数αk=1.0，缺口敏度系数n=1.0。以下为零部件S-N曲线的详细推导过程。
抗拉强度为
疲劳强度为
表面粗糙度系数为
缺口系数为
则总修正因子为
则总修正因子为
零件的疲劳强度为
平均应力敏感参数为
平均应力影响参数为 Fm=1
设j0为依赖检查方法设定的常数，根据是采用超声波、液体或磁性检查方式，其取值为0或1。j为检查等级设计的参数，其取值可为1-3，本文选取j=3，j0=0，则质量等级因子Sd为
考虑到97.7%的存活率，故缩减因子为
考虑壁厚引起的抗拉强度缩减因子St为
总缩减因子S为
S-N曲线第二段斜线段的斜率m1为
第二段斜线段的斜率m2为
对应的应力幅为
范围为
疲劳寿命上极限值为
S-N曲线高周疲劳拐点对应的循环次数ND为
S-N曲线低周疲劳拐点对应的循环次数N1为
最终得到的S-N曲线如图所示
图2 主轴结构的合成S-N曲线
2.2 疲劳强度
在以往的风电机组零部件结构疲劳强度校核中，采用逐点疲劳损伤计算，通常是选取极限工况最大应力值点或一些典型区域个别点，难以确定主轴结构的最大损伤位置，从而难以对疲劳分析结果做出合理评价，因此，在本文中是基于疲劳分析软件进行主轴结构全域损伤值的计算。其好处在于，对于常见的疲劳强度问题而言，极限工况下的最大应力值点未必是最大损伤点。采用商品化软件进行结构的疲劳损伤评估，能得到全域的损伤分布状况，能合理地对结构强度进行评价。考虑到主轴结构所受应力的多轴性，这里以绝对值最大主应力作为损伤评价指标，由软件自动进行雨流计数和线性损伤累积，基于HyperView进行结果后处理，得到如图3所示的主轴结构的累积损伤分布。
(a)考虑重力载荷
(b)不考虑重力载荷
图3 疲劳损伤分布结果
从图可知，在有重力载荷与无重力载荷作用下的最大累积损伤值分别为0.2525和0.2635。由于在这两种情况下数值相差很小，且重力载荷为恒幅载荷，会改变应力分量值，但不影响最后的分析结论。最大累积损伤值为0.2635，位置在大圆孔的外侧圆角部位。值得注意的是，最大损伤部位与极限工况下的最大应力部位并非同一位置。根据Miner线性累积损伤理论可知，由于最大累积损伤值小于1，故而主轴结构设计满足疲劳强度设计要求。
3 结论
(1) HyperMesh软件为大型风电机组发电机结构的网格划分提供了方便。
(2)HyperView能快捷有效地进行疲劳结果的查看。
(3)发电机主轴设计满足极限与疲劳强度设计。
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