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(duì)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(guó)家規(guī)定的20年的使用壽命。對(duì)于用于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的扭力臂來(lái)說(shuō)，其受力情況較為復(fù)雜，且長(zhǎng)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

2、證扭力臂在20年的時(shí)間內(nèi)正常工作成為廠家擔(dān)憂的問(wèn)題。本文通過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)以下通用的步驟： 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 99.9 QT400 正火 圓柱形 484 ap 35.3963 34.0203 33.6302 32.8974 32.0780 bp -11.9209 -11.4576 -11.3264 -11.0800

3、-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(lái)說(shuō)，球墨鑄鐵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)壽命ND為2x106。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，S-N曲線包括兩局部，轉(zhuǎn)折點(diǎn)左側(cè)為一條斜線，轉(zhuǎn)折點(diǎn)右側(cè)為一條直線式中：j零部件質(zhì)量等級(jí)；j0S-N曲線的質(zhì)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AWBDSFat

4、igueToolFatigue Strength Factor，如圖10所示。5.3疲勞損傷累積規(guī)那么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(duì)于本文研究的扭力臂來(lái)說(shuō)，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)力法。在各種基于名義應(yīng)力法的疲勞累積損傷規(guī)那么中，Miner法那么的應(yīng)用最為廣泛。設(shè)材料在某級(jí)應(yīng)力下到達(dá)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法那么有：那么在N個(gè)應(yīng)力水平級(jí)別下分別對(duì)應(yīng)經(jīng)過(guò)ni次應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料疲勞累積損傷為：ni第i級(jí)應(yīng)力水平下經(jīng)過(guò)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；Ni第i級(jí)

5、應(yīng)力水平下的到達(dá)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(píng)估對(duì)象開(kāi)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法那么，當(dāng)累積損傷超過(guò)1時(shí)，就到達(dá)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：式中：ni典型載荷譜包括所有相關(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(duì)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)的材料局部平安系數(shù)、破壞后果局部平安系數(shù)和載荷平安系數(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(duì)于本文研究的扭力臂來(lái)

6、說(shuō)m取1.1、n取1.15、f取1.0?？萍颊撐模珹WB。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?cè)谶M(jìn)行疲勞壽命計(jì)算時(shí)需要考慮由于內(nèi)齒傳遞來(lái)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次該載荷譜所代表的時(shí)間長(zhǎng)度。注意，載荷譜中最大的數(shù)值為1，是因?yàn)樵撦d荷譜的數(shù)值是實(shí)時(shí)傳遞的扭矩與滿功率狀態(tài)下傳遞的扭矩的比值。5.5 疲勞壽命計(jì)算圖10 疲勞分析的相關(guān)參數(shù)在進(jìn)行疲勞分析前，我們需要對(duì)前文找到的應(yīng)力集中處細(xì)分網(wǎng)格，并將之前所計(jì)算得出的疲勞分析相關(guān)數(shù)據(jù)輸入置AWB中，按照AWBDSSolutionFatigueTo

7、ol的步驟，翻開(kāi)Details of FatigueTool;工具欄，如圖10所示。在LoadingType選項(xiàng)中，選擇History Date;載荷譜并導(dǎo)入載荷譜，在OptionsAnalysis Type選項(xiàng)中選擇Stress Life;應(yīng)力-壽命，OptionsStressComponent選項(xiàng)中選擇EquivalentVon Mises;平均應(yīng)力選項(xiàng)。由于載荷包括靜載荷與隨機(jī)載荷兩種，本文采用非線性計(jì)算。設(shè)置兩個(gè)加載環(huán)境，環(huán)境1中為靜載荷，環(huán)境2中為隨機(jī)載荷，之后采用Solution Combination將二者的結(jié)果綜合成扭力臂的實(shí)際受載情況，得出扭力臂在復(fù)合載荷下的疲勞壽命。5.6

8、疲勞分析結(jié)果平安系數(shù)的定義是零件或構(gòu)件的失效應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值。扭力臂疲勞壽命的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是看它的平安系數(shù)是否大于的相關(guān)規(guī)定許用的平安系數(shù)。 檢查和可達(dá)性 零件失效導(dǎo)致機(jī)組損壞或危機(jī)人員平安 零件失效導(dǎo)致機(jī)組失效或重大損傷 零件失效導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中斷 定期檢測(cè)維護(hù)， 可達(dá)性好 1.15 1.0 0.9 定期檢測(cè)維護(hù)， 可達(dá)性差 1.25 1.15 1.0 表2疲勞驗(yàn)證用的局部平安系數(shù)M許用平安系數(shù)需要考慮m，n，f和M，M是疲勞驗(yàn)證用的局部平安系數(shù)，它的取值根據(jù)表2。考慮最差的條件定期檢測(cè)維護(hù)，可達(dá)性差的條件下，許用平安系數(shù)為fxmxnxM1.58。圖11扭力臂的平安系數(shù)扭力臂上各個(gè)位置的平安系數(shù)如圖11所示，最小的平安系數(shù)出現(xiàn)的位置與最小壽命出現(xiàn)的位置一致 ，大小為2.241。平安系數(shù)大于1.58，說(shuō)明扭力臂在設(shè)計(jì)壽命下是平安的，符合正常運(yùn)行20年的要求。4 結(jié)論與展