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兆瓦级风力发电机组齿轮箱支座有限元分析 　　摘要:风电机组中的齿轮箱支座不但要支撑齿轮箱自身重量，还要抵消主轴传递过来的扭矩，其结构是否合理将直接影响到风电机组能否平稳运行。为验证齿轮箱支座结构的合理性，采用有限元软件HyperMesh对齿轮箱支座进行规则的六面体网格划分，并以有限元分析软件ANSYS作为分析平台对其进行强度分析，根据计算结果进行强度校核。分析结果表明：齿轮箱支座的最大应力值小于材料的许用应力，满足材料的强度要求，能够达到使用要求。有限元分析软件的使用，能够快速、直观地对较复杂的结构模型进行强度分析，提高了计算精度和分析效率。 　　关键词：风电机组；齿轮箱支座；有限元分析；六面体；Hyperworks；ANSYS；强度分析 　　中图分类号：TK83 文献标识码：A 　　引言 　　随着风电机组装机容量的日益增大，各零部件所受的极端载荷也越来越复杂，使得风机及其零部件的安全问题变得尤为突出。齿轮箱支座受力比较复杂,除承受自身重力外,还受风轮通过主轴作用在增速箱上的扭矩以及风轮的轴向推力，这些力都将通过支撑点传递到齿轮箱底部支座上，因此需对齿轮箱支座进行强度校核。采用传统的力学方法很难对其进行应力、应变分析,因此本文采用有限元分析软件来解决这个问题。 　　文中对辽河石油装备制造总公司3MW风电机组齿轮箱支座进行有限元分析,目的是校核其强度,校验支座结构是否满足设计要求。分析中考虑到支座自身结构的复杂性以及与底盘间的装配关系,网格划分采用HyperMesh将支座手动划分为规则的六面体网格。支座与底盘间设置接触单元，两部分通过螺栓进行连接，其中螺栓的连接方式采用MPC的方式进行处理,通过施加一段底盘假体模拟风电机组底盘对支座的约束，使得分析过程更加接近实际情况，分析模型如图1所示。 　　图1齿轮箱支座的有限元分析模型 　　1、MPC 多点约束 　　MPC即Multipoint Constraint多点约束方程，其目的就是将不连续或自由度不协调的单元连接起来，从而实现任意梁、板壳和实体单元之间的模型装配。用来描述两个或多个自由度之间的线性关系为： 　　 （1.1） 　　 　　式中： ―用户定义的比例系数； 　　―节点或标量点的任何自由度。 　　MPC算法适用于面面接触、点面接触的单元，分析中有限元软件会根据接触关系自动建立MPC方程。MPC算法克服了传统接触法以及其他多点约束方法的不足，例如:消除接触面节点的自由度；减小系统方程求解的波前值；不需要输入接触刚度等。对于小变形问题，其代表了真实的线性接触关系，求解系统方程时也不需要平衡迭代；对于大变形问题，MPC方程在每个平衡迭代步中不断的更新，克服了传统约束方程只适用于小应变的限制条件。 　　2、有限元模型的建立 　　有限元分析软件的建模功能不是很强大，但与其他CAD软件都有良好的接口，由于支座结构比较复杂，因此本文采用Pro/e软件对齿轮箱支座进行三维实体建模，然后导入HyperMesh中进行六面体网格划分，共划分45504个单元和59959个节点。实体建模时，在保证分析结果正确性的前提下，删除不关键结构特征以提高分析的运算速度。简化的原则是在保证计算精度的前提下，省略了非关键部位对支座整体刚度贡献较小的特征，如小的倒圆和倒角等特征，以提高网格精度和计算速度，简化后的支座模型如图2所示。 　　齿轮箱支座一般采用焊接结构，其材料通常选为Q345E，其为低合金高强度钢，综合力学性能良好，塑性和焊接性良好，具有较好的低温冲击性能，其属性见表1。 　　表1 齿轮箱支座材料属性 　　本文在有限元分析中定义材料属性时，采用了一个封闭的单位制：kg-mm-N-s 　　图2单个齿轮箱支座的有限元模型图 　　图3支座螺栓连接的有限元模型 　　3、约束与载荷 　　风机底盘与齿轮箱支座是通过螺栓进行连接，两者之间是不允许发生任何的滑移，因此在约束风机底盘假体时，对其进行全约束。齿轮箱支座处的极限载荷计算是依据IEC61400指定的载荷工况，利用风电机组大型设计软件BLADE计算得到，安全系数取1.35，在BLADE软件中，已将齿轮箱自身重量和主轴扭矩叠加在一起输出，因此最后得出支座处轴向扭矩的极限载荷值为。 　　支座与底盘之间的装配关系是通过螺栓连接实现的。目前螺栓的建模方式主要有两种：一种是按照实际螺栓的尺寸进行实体建模，并用3D单元进行网格划分。此种方法在螺纹孔连接处由于采用自由度耦合的缘故，其附近的应力、应变分布结果存在失真现象，另因螺纹处特征尺寸较小，从而造成单元过多，分析耗时；另一种是采用Beam188梁单元进行建模，此法可避免因自由度耦合造成应力和应变结果失真现象的产生，且单元数量大为减少。本此分析中的螺栓采用后者方法进行建模。