能源——风力发电机轮毂结构屈曲有限元分析.pdfVIP

风力发电机轮毂结构屈曲有限元分析 1 问题提出 轮毂结构是风力发电机组中的薄壁壳结构，在风力发电机运行过程中需要承 受很大的载荷，在工程中，存在这类薄板壳结构的失效不是由于强度不足引起的 失效，而是结构刚度不够即稳定性不够所致，属于典型的屈曲问题，它属于结构 稳定性一类的问题，针对此结构特点本文对该结构进行屈曲失效问题进行了讨论。 2 线性屈曲分析的基本理论 分析通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得结构的临界失稳载 荷及失稳模态。对于受压结构，随着压力的增加，结构抵抗横向变形力的能力会 下降，当载荷道某一水平，结构总体刚度变为零，丧失稳定性，屈曲分析研究失 稳发生时的临界载荷和失稳形态。基于结构失稳前系统刚度矩阵会出现奇异，可 将失稳问题转化为特征值问题处理。 ′ 假设结构受到的外载荷模式为，幅值大小为F ，结构内力为Q。静力平衡方 程为： ′ λF = λQ ……1) ′ 进一步考察结构在(λ+Δλ) F 载荷作用下的平衡方程，应为： E S G ( ) ′ ′ {[K ]+[K (S + λ △ S)]+[K (̃μ + λ △ ̃μ)]}△ μ = λ +△ λ F λQ =△ λF ……2) 考虑到结构达到保持稳定的临界载荷时应有 Δλ=0，代入2)式可得： E S ̃ G S ̃ [ G ( ]} {[K ]+[K (S)]+[K (̃μ)]+λ [K (△ S)] + K △ ̃μ, ̃μ △ ̃μ = 0 ……3) 因此求解结构稳定性问题的临界载荷和失稳问题就归结为求解这一方程系 数矩阵的特征值问题，考虑到结构失稳前的初位移较小，忽略失稳前初应力和初 应变对刚度矩阵的贡献后，可得： E [ S ( )] G ( ) {[K ]+ λ K △ ̃σ +[K △ ̃μ ]} △ ̃μ = 0 ……4) 该方程转化为求解特征值方程： E [ S ( )] G ( ) det{[K ]+ λ K △ ̃σ +K △ ̃μ }=0 ……5) 忽略几何刚度增量的影响，屈曲分析的方程又可进一步简化为： E [ S ( )] det{[K ]+ λ K △ ̃σ }=0 ……6) λ——屈曲失稳临界载荷因子，实际上代表了压应力对应的刚度对结构线性 刚度的削弱程度； △ ̃μ——结构失稳形态的特征向量。 这个方程为常用求解线性屈曲失稳载荷和失稳模态的特征值方程。 在有限元仿真过程中，可以输入任意载荷作为外载荷，将计算得到的第一阶 屈曲失稳临界载荷因子乘以外载荷便得到最大载荷水平，即所求结构屈曲临界载 荷。 3 轮毂屈曲分析 3.1 有限元模型 本文对永磁直驱风力发电机轮毂结构进行线性屈曲分析。采用Hypermesh软 件与Abaqus软件联合仿真，根据CAD结构模型建立轮毂、变桨轴承、叶片假体、 主轴假体相连接的有限元模型。载荷施加方式：由于轮毂为120度旋转对称结构 故在叶根坐标系下，在一个叶片根处分别施加各个方向的单位载荷。主轴承外圈 假体的端面约束其X、Y、Z方向的平动与转动自由度。完整有限元计算模型如图1。 各部分材料参数见表1。 图 1 有限元计算模型