基于有限元的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析

1、基于有限元的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析    論文導(dǎo)讀：扭力臂有限元模型的建立。圖3SolidWorks導(dǎo)入AWB的專用插件。扭力臂是齒輪箱中的關(guān)鍵部件。對某1.5WM風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的扭力臂進(jìn)行疲勞壽命分析?；谟邢拊娘L(fēng)電機(jī)組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析。 關(guān)鍵詞：有限元，AWB，扭力臂，疲勞壽命    1 引言 齒輪箱用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，工作時(shí)承受較大的隨機(jī)扭轉(zhuǎn)載荷?？萍颊撐?，AWB。扭力臂是齒輪箱中的關(guān)鍵部件，一旦失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)齒輪箱的失效，所以要在設(shè)計(jì)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(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的扭力臂來說，其受力情況較為復(fù)雜，且長期承受交變應(yīng)力，按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)能否保證扭力臂在20年的時(shí)間內(nèi)正常工作成為廠家擔(dān)心的問題。本文通過有限單元法，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)的規(guī)定，對某1.5WM風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的扭力臂進(jìn)行疲勞壽命分析，驗(yàn)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(shí)際應(yīng)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(jīng)過以下通用的步驟： （1）對零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)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(gè)集成化的仿真平臺(tái)，給ANSYS的求解提供了強(qiáng)大的功能。 圖2 扭力臂的三維實(shí)體模型 圖3 SolidWorks導(dǎo)入AWB的專用插件 本文采用三維實(shí)體造型軟件SolidWorks生成扭力臂的實(shí)體模型，再將其導(dǎo)入至AWB中。AWB對于包括SolidWorks在內(nèi)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(dǎo)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(jié)果?？萍颊撐模珹WB。如圖3所示，在SolidWorks中生成扭力臂的實(shí)體模型后，可以通過插件把實(shí)體模型直接導(dǎo)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(xiàn)1可查知QT400的抗拉強(qiáng)度為400MPa，屈服強(qiáng)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(xué)分析主要是為了找到扭力臂應(yīng)力最大的位置，目前采用AWB默認(rèn)的網(wǎng)格劃分即可。AWB軟件中，默認(rèn)采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元和20節(jié)點(diǎn)的六面

5、體單元?jiǎng)澐謫卧?。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖5所示，共有20589個(gè)單元，35433個(gè)節(jié)點(diǎn)。 圖4 材料參數(shù)輸入圖5 網(wǎng)格劃分情況 4 靜力學(xué)分析 本文僅需要得到扭力臂薄弱部位，所以只需計(jì)算應(yīng)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(gè)齒輪箱的重量和內(nèi)齒輪傳遞來的扭矩。 本文對扭力臂的受力做出了適當(dāng)?shù)暮喕簝?nèi)齒輪傳遞來的扭矩平均加載至用于與內(nèi)齒輪聯(lián)結(jié)的各個(gè)螺紋孔上（由圖6中的Moment設(shè)置），齒輪箱的重量同樣由各個(gè)螺紋孔均勻承擔(dān)(由圖6中的Force設(shè)置)，同時(shí)要考慮扭力臂自身的重量，設(shè)置Standard Earth Gravity（標(biāo)準(zhǔn)重力加速度）；固定在機(jī)艙上的兩孔

6、設(shè)置為Fixed Support（約束其六個(gè)自由度），具體的受力與約束情況如圖6所示?？萍颊撐?，AWB。 圖6 扭力臂的受力和約束 4.2 靜力學(xué)分析結(jié)果 扭力臂的應(yīng)力云圖如圖7所示，等效應(yīng)力（von-Mises）的最大值為63MPa，出現(xiàn)在過度圓角上，該位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，符合力學(xué)原理。扭力臂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力250MPa，符合要求?？萍颊撐?，AWB。 圖7 扭力臂的應(yīng)力云圖 5 疲勞分析 5.1 材料的P-S-N曲線 通過相關(guān)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(jì)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(xiàn)2中推薦存活率應(yīng)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(zhuǎn)折點(diǎn)壽命ND為2×106

10、。在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，S-N曲線包括兩部分，轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)為一條斜線，轉(zhuǎn)折點(diǎn)右側(cè)為一條直線（準(zhǔn)確來說是一個(gè)與左側(cè)不同斜率的斜線，但往往簡化為直線）。但根據(jù)文獻(xiàn)2中的規(guī)定，對于球墨鑄鐵，當(dāng)壽命Ni>ND時(shí)，應(yīng)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(jì)算疲勞壽命時(shí)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(biāo)準(zhǔn)試樣的試驗(yàn)結(jié)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(shí)際情況對P-S-N曲線的影響。 在對具體零件進(jìn)行疲勞分析時(shí)，需要考慮以下四個(gè)因素的影響：缺口形狀效應(yīng)、零件尺寸效應(yīng)、表面狀況的影響和平均應(yīng)力的影響?？萍颊撐?，AWB。 根據(jù)文獻(xiàn)2中的規(guī)定，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的設(shè)計(jì)中，可以由以下方法計(jì)算出以上各個(gè)因素對疲勞壽命的影響： （1）對于應(yīng)力比R>0的S-N曲線應(yīng)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(zhì)量等級(jí)； j0S-N曲線的質(zhì)

12、量等級(jí)，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(zhì)量等級(jí)為5級(jí)，即j=5。 計(jì)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(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)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(dǎo)地位的高周疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，所以應(yīng)采用名義應(yīng)力

13、法。 在各種基于名義應(yīng)力法的疲勞累積損傷規(guī)則中，Miner法則的應(yīng)用最為廣泛。設(shè)材料在某級(jí)應(yīng)力下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N1、經(jīng)n1次應(yīng)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(gè)應(yīng)力水平級(jí)別下分別對應(yīng)經(jīng)過ni次應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料疲勞累積損傷為： （5） ni第i級(jí)應(yīng)力水平下經(jīng)過的應(yīng)力循環(huán)數(shù)； Ni第i級(jí)應(yīng)力水平下的達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。 當(dāng)D值等于1時(shí)，認(rèn)為被評估對象開始破壞。 在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)疲勞壽命的分析也是采用Miner法則，當(dāng)累積損傷超過1時(shí)，就達(dá)到了限制狀態(tài)，所以在使用壽命期內(nèi)，風(fēng)力機(jī)的累積損傷應(yīng)小于或等于1，即： （6） 式中：ni典型載荷

14、譜（包括所有相關(guān)載荷情況）的第i級(jí)載荷的計(jì)算疲勞循環(huán)次數(shù)； Si與第i級(jí)載荷計(jì)算循環(huán)次數(shù)相對應(yīng)的應(yīng)力（或應(yīng)變），包括平均應(yīng)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(yīng)力為自變量的函數(shù)（如典型S-N曲線）； m，n，f分別為相應(yīng)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(xiàn)2中查到其取值、計(jì)算的相關(guān)內(nèi)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(gè)載荷又分為靜載荷和動(dòng)載荷。我們在進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算時(shí)需要考慮由于內(nèi)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(shí)間內(nèi)需要再循環(huán)476570次該