基于有限元的風電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析

1、基于有限元的風電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析    論文導讀：扭力臂有限元模型的建立。圖3SolidWorks導入AWB的專用插件。扭力臂是齒輪箱中的關鍵部件。對某1.5WM風力發(fā)電機組中的扭力臂進行疲勞壽命分析?；谟邢拊娘L電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析。 關鍵詞：有限元，AWB，扭力臂，疲勞壽命    1 引言 齒輪箱用于風力發(fā)電領域，工作時承受較大的隨機扭轉載荷?？萍颊撐?，AWB。扭力臂是齒輪箱中的關鍵部件，一旦失效，會導致整個齒輪箱的失效，所以要在設計階段確保扭力臂滿足國家規(guī)定的20年的使用壽命。 對

2、于用于兆瓦級風力發(fā)電機組的扭力臂來說，其受力情況較為復雜，且長期承受交變應力，按照傳統(tǒng)的經驗數(shù)據(jù)能否保證扭力臂在20年的時間內正常工作成為廠家擔心的問題。本文通過有限單元法，根據(jù)風力發(fā)電機組相關的規(guī)定，對某1.5WM風力發(fā)電機組中的扭力臂進行疲勞壽命分析，驗證該扭力臂的疲勞壽命是否符合要求。 2 疲勞分析過程 雖然在實際應用中有著多種不同的疲勞分析方法，但任何疲勞分析卻都要經過以下通用的步驟： （1）對零件進行結構分析，尋找零件的薄弱部位；（2）獲取材料的疲勞性能，根據(jù)具體情況分析出零件的疲勞性能， （3）處理載荷，生成載荷譜；（4）根據(jù)實際零件的可能的疲勞破壞形式，采用一定的疲勞損傷累積規(guī)則

3、，得到零件的疲勞壽命。 圖1 扭力臂疲勞分析流程圖 根據(jù)以上的步驟，對于本文分析的扭力臂的具體流程如圖1所示。 3 扭力臂有限元模型的建立 3.1 三維實體模型的建立 本文選用的有限元分析軟件是ANSYS-Workbench，它是一個集成化的仿真平臺，給ANSYS的求解提供了強大的功能。 圖2 扭力臂的三維實體模型 圖3 SolidWorks導入AWB的專用插件 本文采用三維實體造型軟件SolidWorks生成扭力臂的實體模型，再將其導入至AWB中。AWB對于包括SolidWorks在內的主流的CAD軟件集成有專門的插件，避免了以往通過IGES格式導入數(shù)據(jù)而造成的單元丟失等問題，保證了最好的C

4、AE結果?？萍颊撐?，AWB。如圖3所示，在SolidWorks中生成扭力臂的實體模型后，可以通過插件把實體模型直接導入到AWE中。 3.2有限元模型的建立 零件的材料參數(shù)在AWB>Simulationg>Engineering Data下輸入。本文中，扭力臂的材料采用QT400，查找文獻1可查知QT400的抗拉強度為400MPa，屈服強度為250MPa，密度為7300kg/m3，彈性模量為1.55GP，泊松比為0.27。 由于扭力臂的尺寸較大，且靜力學分析主要是為了找到扭力臂應力最大的位置，目前采用AWB默認的網(wǎng)格劃分即可。AWB軟件中，默認采用10節(jié)點的四面體單元和20節(jié)點的六面

5、體單元劃分單元。網(wǎng)格劃分的結果如圖5所示，共有20589個單元，35433個節(jié)點。 圖4 材料參數(shù)輸入圖5 網(wǎng)格劃分情況 4 靜力學分析 本文僅需要得到扭力臂薄弱部位，所以只需計算應力分析。 4.1 受力與約束 扭力臂受力比較簡單，主要承受承受自身重量、整個齒輪箱的重量和內齒輪傳遞來的扭矩。 本文對扭力臂的受力做出了適當?shù)暮喕簝三X輪傳遞來的扭矩平均加載至用于與內齒輪聯(lián)結的各個螺紋孔上（由圖6中的Moment設置），齒輪箱的重量同樣由各個螺紋孔均勻承擔(由圖6中的Force設置)，同時要考慮扭力臂自身的重量，設置Standard Earth Gravity（標準重力加速度）；固定在機艙上的兩孔

6、設置為Fixed Support（約束其六個自由度），具體的受力與約束情況如圖6所示。科技論文，AWB。 圖6 扭力臂的受力和約束 4.2 靜力學分析結果 扭力臂的應力云圖如圖7所示，等效應力（von-Mises）的最大值為63MPa，出現(xiàn)在過度圓角上，該位置產生了較大的應力集中，符合力學原理。扭力臂的最大應力遠小于許用應力250MPa，符合要求。科技論文，AWB。 圖7 扭力臂的應力云圖 5 疲勞分析 5.1 材料的P-S-N曲線 通過相關的材料手冊，可以查到扭力臂所用材料QT400的P-S-N曲線，在指定存活率下的疲勞壽命，如表1所示，計算公式見公式1。 LgNp=ap+ bplg（1）

7、     材料    熱處理    試樣形式    b (MPa)    不同存活率下的ap、bp     p(%)    50    90    95    99   

8、 99.9     QT400    正火    圓柱形    484    ap    35.3963    34.0203    33.6302    32.8974    32.078

9、0     bp    -11.9209    -11.4576    -11.3264    -11.0800    -10.8045     表1 QT400在不同存活率下的 文獻2中推薦存活率應大于97.7%，本文選擇QT400的99%存活率下的S-N曲線。一般來說，球墨鑄鐵的轉折點壽命ND為2×106

10、。在雙對數(shù)坐標系下，S-N曲線包括兩部分，轉折點左側為一條斜線，轉折點右側為一條直線（準確來說是一個與左側不同斜率的斜線，但往往簡化為直線）。但根據(jù)文獻2中的規(guī)定，對于球墨鑄鐵，當壽命Ni>ND時，應將此S-N曲線按恒定斜率延伸，所以本文材料的P-S-N曲線如圖8所示。 QT400的P-S-N曲線需要輸入至AWB>Simulationg>Engineering Data>AlternatingStress中，以便軟件在計算疲勞壽命時引用該曲線。 圖8 QT400的99%存活率下的P-S-N曲線 5.2零件的P-S-N曲線 通常我們通過材料手冊所獲得的S-N曲線大多是無缺

11、口的標準試樣的試驗結果，所以僅僅知道材料的P-S-N曲線是不夠的，還要考慮零件的實際情況對P-S-N曲線的影響。 在對具體零件進行疲勞分析時，需要考慮以下四個因素的影響：缺口形狀效應、零件尺寸效應、表面狀況的影響和平均應力的影響?？萍颊撐?，AWB。 根據(jù)文獻2中的規(guī)定，在風力發(fā)電機齒輪箱的設計中，可以由以下方法計算出以上各個因素對疲勞壽命的影響： （1）對于應力比R>0的S-N曲線應縮減，縮減系數(shù)SR可取0.85。 （2）大壁厚t（mm）的影響由系數(shù)St給出： （2） （3）對制造缺陷（氣孔、縮孔、夾渣）的影響，采用下列系數(shù)加以考慮： （3） 式中：j零部件質量等級； j0S-N曲線的質

12、量等級，使用綜合S-N曲線，該值可選為1 扭力臂最薄處壁厚為120，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，零件質量等級為5級，即j=5。 計算得St=0.79、Sd=0.522，SR*St* Sd =0.35。這一數(shù)據(jù)需要輸入至AWB中的Fatigue Strength Factor，具體操作為AWB>DS>FatigueTool>Fatigue Strength Factor，如圖10所示。 5.3疲勞損傷累積規(guī)則 工程中常用的疲勞分析方法有三種: 名義應力法、局部應力應變法和損傷容限法。對于本文研究的扭力臂來說，其疲勞壽命分析屬于彈性變形居主導地位的高周疲勞壽命進行計算，所以應采用名義應力

13、法。 在各種基于名義應力法的疲勞累積損傷規(guī)則中，Miner法則的應用最為廣泛。設材料在某級應力下達到破壞時的應力循環(huán)次數(shù)為N1、經n1次應力循環(huán)而疲勞損傷吸收的凈功為W1，根據(jù)Miner法則有： （4） 則在N個應力水平級別下分別對應經過ni次應力循環(huán)時，材料疲勞累積損傷為： （5） ni第i級應力水平下經過的應力循環(huán)數(shù)； Ni第i級應力水平下的達到破壞時的應力循環(huán)數(shù)。 當D值等于1時，認為被評估對象開始破壞。 在相關標準中，風力發(fā)電機疲勞壽命的分析也是采用Miner法則，當累積損傷超過1時，就達到了限制狀態(tài)，所以在使用壽命期內，風力機的累積損傷應小于或等于1，即： （6） 式中：ni典型載荷

14、譜（包括所有相關載荷情況）的第i級載荷的計算疲勞循環(huán)次數(shù)； Si與第i級載荷計算循環(huán)次數(shù)相對應的應力（或應變），包括平均應力和循環(huán)順序的影響； N疲勞破壞循環(huán)次數(shù)，它是以應力為自變量的函數(shù)（如典型S-N曲線）； m，n，f分別為相應的材料局部安全系數(shù)、破壞后果局部安全系數(shù)和載荷安全系數(shù)。 m，n，f可以在文獻2中查到其取值、計算的相關內容，對于本文研究的扭力臂來說m取1.1、n取1.15、f取1.0?？萍颊撐?，AWB。 5.4載荷譜 圖9 扭矩載荷譜 扭力臂所受的各個載荷又分為靜載荷和動載荷。我們在進行疲勞壽命計算時需要考慮由于內齒傳遞來的扭矩的載荷譜。圖9是廠家提供的該扭矩的載荷譜，扭力臂在20年的工作時間內需要再循環(huán)476570次該