采用VDI2230的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓強(qiáng)度分析.

1、設(shè)備設(shè)計(jì)/診斷維修/再制造現(xiàn)代制造工程(ModernManufacturingEngineering)2011年第5期采用VDI2230的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓強(qiáng)度分析*陳真，杜靜，何玉林，劉衛(wèi)，馮博(重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)摘要:針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓軸線與法蘭橫向?qū)ΨQ中心線不一致，且螺栓所受外載荷為偏心載荷的問(wèn)題，基于VDI2230螺栓聯(lián)接理論對(duì)法蘭聯(lián)接處螺栓進(jìn)行理論分析，計(jì)算出實(shí)際工況下螺栓螺紋處的等效應(yīng)力，采用有限元理論對(duì)法蘭聯(lián)接處螺栓在MSC.Marc/Mentat環(huán)境中進(jìn)行接觸強(qiáng)度分析，有限元結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。研究為螺栓聯(lián)接強(qiáng)

2、度分析提供了新的思路。關(guān)鍵詞:螺栓;VDI2230螺栓聯(lián)接理論；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；有限元中圖分類號(hào):TM614文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào)：16713133(2011)05012505StrengthanalysisofboltjointonwindturbinetowerflangebasedonVDI2230CHENZhen,DUJing,HEYulin,LIUWe,iFENGBo(TheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:Fortowerflange

3、andboltjointofwindturbine,theaxisofboltisinconsistentwiththehorizontalsymmetryaxisofflange.Theboltofflangesufferedeccentricload.ThetheoreticalanalysisofsuchcasewascarriedoutreferringtothetheoryofVDI2230.Equivalentstressunderactualconditionwasobtained.Onbaseoffiniteelementtheorycontactstrengthanalysi

4、sofflangeandboltswereconductedinMSC.Marc/Mentat.Theresultoffiniteelementanalysisisapproximatelyagreeablewiththetheoreticalresult.Providesanovelapproachforstrengthanalysisofbolt.Keywords:VDI2230;boltjoint;windturbine;finiteelement0引言塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的聯(lián)接件，其聯(lián)接的可靠性決定著整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體可靠性，傳統(tǒng)螺栓聯(lián)接強(qiáng)度理論只對(duì)螺栓組聯(lián)接受軸

5、向載荷或受傾覆力矩的情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析1論在MSC.Marc/Mentat環(huán)境中進(jìn)行螺栓接觸強(qiáng)度分析，為螺栓聯(lián)接設(shè)計(jì)提供新的理論依據(jù)。1偏心夾緊偏心加載模型關(guān)于螺栓聯(lián)接的理論分析，在滿足能量傳遞的前提下，所有聯(lián)接的實(shí)例原則上都可以運(yùn)用單螺栓聯(lián)接模型的方式進(jìn)行分析，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可行的。36取整個(gè)圓周法蘭的一部分，偏心夾緊偏心加載單個(gè)螺栓模型如圖1所示。具體分析過(guò)程如下。1.1彈性變形體組成當(dāng)有螺栓預(yù)緊力的作用時(shí)，在螺栓周圍區(qū)域內(nèi)會(huì)引起相應(yīng)的變形，若彈性變形體橫向截面不具有對(duì)稱性時(shí)（如圖1中ss與oo不共線），則彈性變形體變形也是非均勻的,根據(jù)變形能相等原則，變形區(qū)域可等效為圓錐和圓柱區(qū)域。2

6、O實(shí)際上，螺栓聯(lián)接從聯(lián)接方式可分為：同心夾緊和偏心夾緊，即螺栓軸線與被聯(lián)接彈性體橫向?qū)ΨQ中心線是否一致（如圖1中ss線和oo線）。從加載方式可分為：同心加載和偏心加載，即外載荷作用線與螺栓軸線是否一致。國(guó)內(nèi)對(duì)于偏心夾緊和偏心加載的情況尚未有相關(guān)的理論分析，針對(duì)傳統(tǒng)螺栓聯(lián)接理論分析的局限性，本文結(jié)合一種螺栓聯(lián)接標(biāo)準(zhǔn)VDI2230螺栓聯(lián)接理論，從新的角度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓進(jìn)行理論分析，并結(jié)合有限元理*重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（CSCT2007AB3052、CST2007AA3027）1252011年第5期現(xiàn)代制造工程（ModernManufacturingEngineering）式

7、中:PCD為螺栓軸線到法蘭中心線距離，mm;dh為螺栓孔直徑,mm;bfl為法蘭寬度,mm;Nbolt為螺栓個(gè)數(shù)。2）彈性變形錐的極限直徑DAGr為：DAGr=dw+lktanD(2)tan.362+0.0321nlk/(2dw)600.1531n(DA/dw)(3代:dw為螺栓夾持外徑,mm;lk為螺栓聯(lián)接夾持長(zhǎng)度,mm;D為變形錐角。若DAGr>DA,則被聯(lián)接彈性變形體可等效為由變形錐和變形套筒組成（如圖1中陰影部分）;反之由兩變形錐組成。1.2被聯(lián)接彈性變形體的柔度圖1偏心夾緊偏心加載單個(gè)螺栓模型1.2.1同心夾緊的情況在同心夾緊的情況下被聯(lián)接彈性變形體隨預(yù)緊力的施加是均勻?qū)ΨQ的，

8、則彈性變形體的柔度p為：1）彈性變形體接合面等效外徑DA為:DA=（，其在螺栓軸線兩側(cè)的變形-dh+bfl)/2(1)Nbolt變形套簡(jiǎn)變形錐PCD2(dw+dh)(DA-dh4DA-dwl+22lk-dhtanD(dw-dh)(DA+dhDA-dhtanD(4)p=P且受預(yù)緊力時(shí)，被聯(lián)接彈性變形體的柔度式中:Ep為彈性變形體的彈性模量，MPa。p2可表示為：1.2.2偏心夾緊的情況偏心夾緊時(shí)由于螺栓軸線兩邊彈性體的彈性變形不均勻，非橫向?qū)ΨQ的變形導(dǎo)致了螺栓頭的偏斜。除了彈性變形體的縱向變形外偏心夾緊還引起被夾緊彈性變形體的彎曲變形。因此，偏心夾緊被聯(lián)接彈性變形體的柔度p1比同心夾緊時(shí)的柔度p

9、要大些，p1可表示為：ssymlk(5)p1=p+EpIBersIBers=lk2lvIBersv+lhIBersh4p2=p+assymlk(7)EpIBers1.3螺栓的柔度對(duì)于螺栓的彈性變形，不僅要考慮到螺栓被夾持長(zhǎng)度范圍內(nèi)的彈性變形，也要考慮到這個(gè)范圍之外的彈性變形。因?yàn)樵诼菟?lián)接中，這個(gè)區(qū)域?qū)β菟ǖ淖冃吻闆r也會(huì)產(chǎn)生影響。螺栓由若干單個(gè)要素組成，可以由一些長(zhǎng)度為li、橫截面積為Ai的圓柱體所代替，單個(gè)螺栓變形示意圖如圖2所示。圖2中,lSK為螺栓頭部變形等效長(zhǎng)度；lGM為螺紋嚙合等效長(zhǎng)度。(6)式中:ssym為螺栓軸線偏心距離,mm;IBers為變形錐及套筒的等效極慣性矩,mm;lv為

10、變形錐的高度，mm;lh為變形套筒的高度，mm;IBersv為變形錐的極慣性矩,mm;IBersh為變形套筒的極慣性矩，mm。1.2.3偏心夾緊及偏心加載的情況工程中，同心夾緊和同心載荷螺栓連接的情況是很少見(jiàn)的。大部分情況，外部工作載荷FA的作用線不是位于螺栓軸線上，且螺栓軸線本身不會(huì)和被聯(lián)接彈性變形體橫向?qū)ΨQ中心線oo重合。當(dāng)偏心螺栓以距離ssym布置，外部工作載荷距離橫向?qū)ΨQ中心線o。為a,44圖2單個(gè)螺栓變形示意圖Es是螺栓材料的楊氏模量，在力F的作用下，單個(gè)要素的伸長(zhǎng)量fi可表示為：陳真，等:采用VDI2230的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓強(qiáng)度分析2011年第5期liFfi=(8)E

11、sAi因此,可得到一個(gè)圓柱體單要素在軸線方向的彈性柔度i為：i=fili=FEsAi式中:As為應(yīng)力截面積，mm。1.5.3螺栓螺紋嚙合處的扭矩MG=d2Fv(+1.155)(16)222式中:MG為螺栓螺紋嚙合處的扭矩；d2為螺栓中徑,mm;p為螺紋節(jié)距，mm;為螺紋處摩擦因數(shù)。則螺紋嚙合處扭應(yīng)力為：=MG/Wp(17)式中:Wp為抗扭截面模量，mm。1.5.4螺栓的等效應(yīng)力螺栓在拉伸及扭轉(zhuǎn)共同作用下的等效應(yīng)力red為：red=z+3(k(18)2在螺栓中，圓柱體要素是依次排列的，因此在被夾持長(zhǎng)度范圍內(nèi)和其他變形區(qū)域內(nèi)，螺栓總的柔度s是由一系列單個(gè)圓柱體要素的柔度累加得到：s=SK+1+Ge

12、w+GM(1球中：SK為螺栓頭的柔度；1為11段的柔度;Gew為未嚙合螺紋部分柔度；GM為螺紋嚙合部分柔度。1.4外載荷圓形法蘭均勻分布多個(gè)螺栓，根據(jù)企業(yè)提供特定高度的載荷，等效得到受力最大的單個(gè)螺栓的外部工作載荷FA,法蘭整體受力狀態(tài)不失一般形式：設(shè)圓形法蘭所受彎矩為M和沿螺栓軸線方向的力為N,則法蘭圓周上受力最大的螺栓外部工作載荷FA為：FA=44-22(da-(da-2ts)(da-(da-2ts)Sscrtwts(11-)(da2ts)=(12)Nbolt32Mda36式中:k=0.5為推薦值o2算例以某水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)為例，螺栓等級(jí)為10.9,規(guī)格為M36205，螺栓孔為39mm

13、;法蘭及螺栓的彈性模量為2.06E5MPa螺紋摩擦因數(shù)=0.1(企業(yè)裝配要求);此時(shí)預(yù)緊力Fv=510kN2，螺栓個(gè)數(shù)Nbolt=136;法蘭寬度bfl=155.5mm,PCD=1845mm;螺栓夾持外徑dw=55mm;螺栓夾持長(zhǎng)度lk=160mm;偏心距離ssym=2.25mm載荷位置距oo線距離a=67.75mm;極限載荷(企業(yè)提供):FX=-621.6kN、FY=-606.4kN、FZ=-2364kN、MX=26135kNm、MY=-30793kNm和MZ=36235kNm,(沿螺栓軸線方向?yàn)閆向且X、Y、Z滿足右手定則)根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算出螺栓的等效應(yīng)力為684.18MPaSscrtw式

14、中:da為法蘭壁的外徑，mm;ts為法蘭壁厚度，mm;Sscrtw為在塔筒內(nèi)壁圓弧上單個(gè)螺栓的法蘭有效長(zhǎng)度。1.5等效應(yīng)力1.5.1螺栓的相對(duì)剛度11載荷引入因子n用來(lái)考慮在單螺栓聯(lián)接中因載荷位置不同對(duì)被聯(lián)接彈性體柔度的影響，根據(jù)公式2ak=a-ssym-dw/2,計(jì)算ak/lk的值,線性插值可3法蘭聯(lián)接處螺栓強(qiáng)度接觸分析3.1幾何模型在Pro/E中建立幾何模型，本文重點(diǎn)分析法蘭聯(lián)接處螺栓，為模擬真實(shí)情況，上、下法蘭也截取了部分長(zhǎng)度的塔筒壁，法蘭組件的幾何模型如圖3所示。3.2有限元模型在MSC.Marc/Mentat環(huán)境中建立法蘭螺栓聯(lián)接接觸有限元模型，如圖4所示。模型均采用六面體單元?jiǎng)澐郑?/p>

15、為了體現(xiàn)關(guān)鍵部位對(duì)結(jié)果的影響，在法蘭圓角處進(jìn)行網(wǎng)格適度加密，單元總數(shù)為58642模型包括上法蘭、下法蘭和136個(gè)螺栓及螺母。各部件所用材料均為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2.0610MPa,泊松比為0.3,密度為7.85105-9得載荷引入因子n,并將載荷引入因子帶入式(13)中。螺栓工作受到的附加力是螺栓軸向工作載荷的函數(shù)，用相對(duì)剛度表征，再考慮偏心夾緊及偏心加載，則螺栓的相對(duì)剛度en為：en=np2(13)p1+s(14)1.5.2螺栓所受最大軸向載荷F1=Fv+enFA式中:F1為螺栓所受最大軸向載荷，kN;Fv為預(yù)緊力，kN;FA為外部工作載荷，kN。于是可得螺栓的軸向應(yīng)力z為：z=

16、F1/As(15)t/1272011年第5期現(xiàn)代制造工程(ModernManufacturingEngineering-30793kNm、MZ=36235kNm。約束下法蘭塔筒底面所有節(jié)點(diǎn)X、Y、Z方向的自由度(fund_fix),以消除接觸分析時(shí)的剛體位移5,100法蘭螺栓聯(lián)接邊界條件和載荷設(shè)置如圖5所示。圖3法蘭組件的幾何模型1螺栓2螺母3上法蘭及部分塔筒壁4下法蘭及部分塔筒壁mm。根據(jù)實(shí)際裝配關(guān)系建立如表1所示的接觸關(guān)系，表1中:T為接觸(touching);G為粘接9括號(hào)中數(shù)值為接觸對(duì)的摩擦因數(shù)。123(glue);圖5法蘭螺栓聯(lián)接邊界條件和載荷設(shè)置1point_load2fix_xy

17、3fix_z4preload5fund_fix3.4接觸分析結(jié)果螺栓預(yù)緊后，各接觸面接觸良好，各零陪B件應(yīng)力值均在屈服強(qiáng)度下，施加極限工況后各接觸面間仍保持良好的接觸狀態(tài)，應(yīng)力值稍有增加。下面給出螺栓在僅施加預(yù)緊力和極限載荷后的應(yīng)力云圖。在僅施加預(yù)緊力工況下，對(duì)螺栓施加510kN螺栓的預(yù)緊力，螺栓最大應(yīng)力為675.2MPa螺栓應(yīng)力云圖如圖6所示,最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓螺紋聯(lián)接第一圈附近(圓圖4法蘭螺栓聯(lián)接接觸有限元模型表1接觸關(guān)系名稱螺母上塔筒法蘭下塔筒法蘭螺栓GT(0.15)T(0.15)T(0.15)螺母上塔筒法蘭T(0.15)T(0.15)T(0.15)下塔筒法蘭螺栓G圈處)。施加極限工況后

18、，螺栓的應(yīng)力云圖如圖7所示，螺栓最大應(yīng)力為680.1MPa,最大應(yīng)力也出現(xiàn)在螺栓螺紋聯(lián)接第一圈附近(圓圈處)Inc:lTime:1,OOOe+OOO6.752E+0025.420E+0024.087E+0022.755E+002L423E+0029.092E+00003.3邊界條件加載接觸分析中所用的載荷來(lái)自于企業(yè)提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極限工況載荷數(shù)據(jù)。將分析過(guò)程分為預(yù)緊工況和工作工況兩種情況，預(yù)緊工況約束螺栓的X、Y向位移fix_xy),并給136個(gè)螺栓施加預(yù)緊力510kN(preload);工作工況中撤銷預(yù)緊力，鎖定螺栓長(zhǎng)度f(wàn)ix_z)。為了更好地模擬力的傳遞，在上塔筒頂端中心建立RBE3單元

19、，將特定高度點(diǎn)載荷(point_load)均勻施加到塔筒壁上，施加載荷:FX=-621.6kN、FY=-606.4kN、FZ=-2364kN、MX=26135kNm、MY=圖6螺栓應(yīng)力云圖(預(yù)緊工況下)陳真，等:采用VDI2230的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓強(qiáng)度分析2011年第5Inci2Time:2.000e0006.801E+0025.459E+0024.U7E+0022.775E+002L433E+0029.086E+000期參考文獻(xiàn)：1濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社,2000.2 VDI2230Part1newedition2003.3 Petersen,Pete

20、rsenStahlbau2ndrevisededitionVieweg.4ENEN143991/HighStrenghStructuralBoltingAssembliesforProloadingPart1:GeneralRequirements.5 ENEN143994/HighStrenghStructuralBoltingAssembliesforProloadingPart4:SystemHVHexagonBoltandNutAssemblies.6 ENEN143996/HighStrenghStructuralBoltingAssembliesforProloadingPart6

21、:PlainChamferedWashers.7陳火紅楊劍.新編Marc有限元實(shí)例教程M.北京:機(jī)圖7螺栓應(yīng)力云圖（極限工況下）械工業(yè)出版社,2007.8蔣麗.拉力作用下高強(qiáng)螺栓聯(lián)接的有限元模擬J.山西建筑,2006,32（21）:56-57.9GermanischerLloyd.GuidelinefortheCertificationofWindTurbines2003withSupplement,2004.10彼得艾伯哈特，胡斌.現(xiàn)代接觸動(dòng)力學(xué)M.南京:東南大學(xué)出版社,2003.11Guillot,J.Assemblageparlmentsfilets;modlisationetcalcus,Ed.Techniquesdeingnieur,Tome1B5560B5562,75006Paris,France,1987,pp.1-56.12杜靜，常慧英,石秉楠.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒頂部法蘭的有限元分析J.現(xiàn)代制造工程,2010（4）:54-55.4結(jié)論1）針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭聯(lián)接處螺栓軸線與法蘭橫向?qū)ΨQ中心線不一致，且實(shí)際載荷作用下螺栓處的軸向外載荷作用線不在螺栓軸線上的問(wèn)