永磁直驱风力发电机组主机架强度分析

第9期

2011年9月

文章编号：1001-3997（2011）09-0185-03

机械设计与制造

MachineryDesign＆Manufacture

185

永磁直驱风力发电机组主机架强度分析*

何玉林1曾纯亮1常慧英2

（1重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030）（2国电联合动力技术有限公司，北京100044）

Strengthanalysisofpermanent-magnetdirectdrivewindturbinemainframe

HEYu-lin1，ZENGChun-liang1，CHANGHui-ying2（1TheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity，Chongqing400030，China）

（2GuodianCombinedPowerTechnologyCo.，LTD，Beijing100044，China）

【摘要】运用风力机空气动力学、结构动力学、强度分析等理论和现代设计方法，以GL、IEC、Eu－roCode3等风力发电机组规范为依据，利用非线性有限元分析软件MSC.MARC对主机架结构进行静强度、模态、以及疲劳寿命分析，并对结果进行校核评价。总结了运用MSC.MARC进行风力发电机组关键零部件设计与分析的方法，为风力发电机组零部件的自主设计和结构优化提供可靠的科学依据，具有理论意义和工程使用价值。

关键词：永磁直驱风力发电机组；主机架；强度分析；模态分析；疲劳寿命【Abstract】Basedonwindturbineaerodynamics，structuraldynamics,strengthanalysistheoryandmoderndesignmethodsandaccordingtoGL，IEC，EuroCode3andotherwindturbinestandards，thestaticstrength，modalandfatigueanalysisofmainframestructurewereconductedbynonlinearfiniteelementanal－ysissoftwareMSC.MARC，thenanalysisresultswereassessed.SummarizingthemethodofdesignandanalysisforkeycomponentsofwindturbinebyMSC.MARC，itisareliablescientificbasisforindependentlydesignandstructuraloptimizationofkeycomponentsonwindturbine，andhasahightheoreticalandpracticalvalue.

Keywords：Permanent-magnetdirectdrivewindturbine；Mainframe；Strengthanalysis；Modalanalysis；Fatiguelife

1引言

主机架是永磁直驱风力发电机组中最关键和承载最复杂的可靠的质量和优越点性能是保证风电部件之一，其良好的设计、机组正常稳定运行的关键因素，也是风力发电机组结构设计的重随着计算机及计算技术的飞速发展，特别是适合于复点和难点[1]。

杂结构的有限元分析技术日臻成熟和成功应用，极大改变传统的结构设计与分析方法。运用MSC.MARC有限元分析软件，针对某MW级永磁直驱风力发电机组主机架结构进行静强度、模态、以及在极限工况下的疲劳寿命分析，研究将对国产化大型风力发电机组自主设计开发工作起到重要的理论探索和指导作用，从而为提高我国风力发电设备技术水平，降低风电发电成本，提高市场竞争能力，实现具有自主知识产权的国有化风力发电机组的产业化奠定坚实的基础。

定子

主机架

偏航

外圈

塔简

法兰偏航内圈刹车盘

副机架

2几何模型

永磁直驱风力发电机组的主机架具有较为复杂的三维几何

＊来稿日期：2010-11-24＊基金项目：重庆市科技攻关计划项目（CSCT2007AB3052、CST2007AA3027）

中图分类号：TH16

文献标识码：A

7.1e-9T/mm3[2-3]。

形态。其主要结构包括发电机定子、主机架、辅机架、偏航轴承、刹车盘、塔顶法兰和塔筒，如图1所示。主机架所用的材料特性为屈服强σs=220MPa，弹性模量E=1.69e5MPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=

3静强度分析

3.1有限元模型

brakebrake_qiclosed_gapdingziflangemain_frameopen_gapphbearin_inphbearing_outtowernone

图3主机架的有限元模型（细节）

在MSC.Mentat2005r2中建立的MW级主机架的有限元模型，如图2、图3所示。模型采用8节点六面体7号单元划分，单元尺寸为30mm。主机架的结构比较复杂，重点关注主机架的整体静强度，在不影响分析结果的前提下，对实体模型进行了适当的简化处理，故不考虑主机架和发电机定子、主机架和偏航轴承内圈、偏航轴承外圈和刹车盘及塔顶法兰之间的联接螺栓，将各

图1主机架系统的几何结构

图2主机架的有限元模型

部件通过合并节点的方式粘合；非偏航状态下，和主机架相连接的刹车器咬住刹车盘来实现刹车，因此将刹车器和刹车盘通过合并节点的方式设置为粘合，并将一些不影响整体分析的小圆角和

186何玉林等：永磁直驱风力发电机组主机架强度分析

第9期

小倒角进行了特性简化。轴承中滚子只承受压力，不承受拉力，在Marc的单元库中的Gap单元的特性是轴向仅受压不受拉，所以用Gap单元来模拟滚动体，保持内外圈之间力的传递，并不考虑滚珠的变形。

3.2载荷计算

在计算极限强度时，选取了4种设计情况：风力机停车或怠速运行、

停车时突遇部件功能失效等、正常发电、正常发电时突遇电网失效，共16种工况。其中风力停机状态下的工况有4种，正常发电状态下的工况有12种。对应的局部安全系数，如表1所示，具体工况说明见GL规范。所计算得出的极限载荷，

如表2所示。表1极限强度分析采用的工况及局部安全系数

设计情况

工况局部安全系数

风力机停机或怠速运行

6.1a1.356.2a、6.2c1.10

停机时突遇部件功能失效7.1b1.10

风力机正常发电1.1b、1.3c、1.8a、1.5be1.35

风力机正常发电时突遇电网失效2.2a1.10

表2极限载荷

Loadcase

M安全

x

My

Mz

Myz

Fx

Fy

Fz

Fyz

系数

kNmkNmkNmkNmkNkNkNkNkN

1.8al21593.353.596.3110.229.2-11.1-366.4366.61.35……………………………………………………6.2a218.7226.593.7245.125.640.2-93.3101.61.10

3.3边界条件

风力发电机塔筒底部为固定端，故约束塔筒底部6个方向的自由度。采用MPC将轮毂处点工况载荷施加到定子外圈节点上。边界条件设置，如图4所示

。

图4边界条件的施加（二分之一视图）

3.4计算结果

采用MarcMentat2007r1为前后处理器和求解器，以工况DLC1.8al2为例，计算得到的主机架极限应力和变形，如图5、图6所示。

5.611e+0012.068e+0005.051e+0011.867e+0004.490e+0011.666e+0003.929e+0011.466e+0003.368e+0011.265e+0002.808e+0011.064e+002.247e+0018.638e-0012.686e+0016.631e-0011.125e+0014.625e-0015.647e+0002.619e-0013.929e-002

Z6.124e-002

ZY

Y

X

X

图5工况1.8al2下主机架图6工况1.8al2下主机架变形

极限应力结果云图结果云图（放大50倍

）如图3、图4所示，主机架在工况载荷作用下，最大的vonMises等效应力σmax=56.11MPa，出现在维修孔边缘上；最大变形为2.068mm，出现在主机架和定子连接的截面上。根据GL规范，

取安全系数γ。许用应力［σ］=σ

m=1.1s=220=200MPa。定义主机

m架极限强度的材料安全裕度为MSult=［σ］-1=200-1=2.56。

max其他工况下主机架的最大应力和最大变形，如表3所示。

表3其他工况下最大应力和最大变形

工况

最大应力最大变形安全裕度1.8al256.112.0682.567.1bc37.271.5064.37……………………6.2a2

84.74

2.193

1.36

从以上数据可以看出，安全裕度都大于0，说明主机架在极限强度计算工况下的最大应力都在材料的许用应力允许范围之内。

故在风力机运行的过程中，主机架的极限强度是足够的，出现塑性变形或破坏的几率不大。

4模态分析

4.1模态分析的有限元模型

主机架有限元模型采用8节点六面体7号单元划分，单元尺寸为30mm，

总的网格数目为73860。轮毂中心处添加一个集中质量单元，用于模拟轮毂、叶片的质量。在副机架的上方添加一个集中质量单元，用于模拟副机架的附加质量。主机架模态分析的有限元模型，如图7所示

。

图7主机架模态分析的有限元模型

4.2边界条件

考虑到直接约束主机架底部对频率产生的影响，在主机架下面添加偏航轴承内圈，于主机架合并节点，约束偏航轴承内圈的底部所有节点的三个方向的平动自由度和三个方向的转动自由度。

4.3计算结果及分析

经过计算主机架的前三阶固有频率，如表4所示。振型图，如图8~图10所示。

风轮转速为（9~20.76）r/min，所以叶片转动的1p频率为（0.15～0.346）Hz，3p频率为（0.45～1.038）Hz。主机架的一阶频率

是6.4427Hz，二阶频率是10.262Hz，三阶频率是13.032Hz，不在1p和3p频率的范围之内，不会发生共振。

表4主机架前3阶固有频率与风轮工作频率的比较

阶次

123固有频率/Hz

6.442710.26213.032振型描述

x方向的y方向的绕z的

一阶弯矩一阶弯矩一阶扭矩

风轮工频率范围/Hz（0.15～0.346）（0.15～0.346）（0.15～0.346）作基频是否在1p范围内否否否是否引起共振否否否风轮3频率范围/Hz0.45～1.0380.45～1.0380.45～1.038倍基频

是否在3p范围内否否否是否引起共振否否否

4.36-001MSC.Patran2005r215-Oct-0909:59:15

4.07-001Fringe:Default,A3:Mode1:Freq.=6.4427,Eigenvectors,Translational,Magnitude,3.78-001Deform:Default,A3:Mode1:Freq.=6.4427,Eigenvectors,Translational,

3.49-0013.20-0012.91-0012.62-0012.33-0012.04-0011.75-0011.45-001

4.36-0011.16-001

8.73-0025.82-0022.91-002

图8主机架的一阶模态振型

No.9Sep.2011

机械设计与制造

187

1.16-001MSC.Patran2005r215-Oct-0910:04:39

1.08-001Fringe:Default,A3:Mode2:Freq.=10.262,Eigenvectors,Translational,Magnitude,1.00-001Deform:Default,A3:Mode2:Freq.=10.262,Eigenvectors,Translational,

9.26-0028.49-0021.16-001

7.72-0026.95-0026.18-0025.40-0024.63-0023.86-0023.09-0022.32-0021.54-0027.72-003

图9主机架的二阶模态振型

3.57-001MSC.Patran2005r215-Oct-0910:05:50

3.33-001Fringe:Default,A3:Mode3:Freq.=13.032,Eigenvectors,Translational,Magnitude,3.09-001Deform:Default,A3:Mode3:Freq.=13.032,Eigenvectors,Translational,

2.85-0012.62-0012.38-0012.14-0013.57-001

1.90-001

1.67-0011.43-0011.19-0019.52-0027.14-0024.76-0022.38-002

图10主机架的三阶模态振型

5疲劳分析

5.1计算理论

简化疲劳分析采用的等效常域谱是由Palmgren/Miner[6-7]

线

性累积损伤理论得到：D=Σni

i

N燮1.0（1）

mnfi式中：

ni—典型载荷谱的第i级载荷的计算疲劳循环次数；Si—与第i级载荷计算循环次数相对应的应力（或应变），包括平均应力和循环顺序的影响；N燮γmγnγfSi燮—疲劳破坏循环次数，它是以应力（或应变）为自变量的函数；γmγnγf—相应的材料局部安全系数、破坏后果局部安全系数和载荷安全系数。对于所有正常和非正常设计工况，载荷局部安全系数为1.0。

5.2疲劳应力计算

疲劳应力计算在MSC.Mentat2005r2有限元分析软件中完成，计算模型与静强度分析模型相同。在轮毂中心点（即RBE3单元的控制节点）分别施加六个工况的极限载荷，极限载荷值，如表5所示。在之后进行疲劳计算时，再通过载荷系数的设置对应力结果进行正则化处理。经过计算，得到各极限载荷工况下主机架的疲劳应力，如表6所示。

表5极限载荷

Mx（kNm）My（kNm）M（zkNm）Fx（kN）

Fy（kN）F（zkN）1593.33654.7-3462.5

439.8

-228.6

-429.3

表6极限载荷下主机架的极限应力

工况

lc_Fxlc_Fylc_Fzlc_Mxlc_Mylc_Mz最大应力MPa

15.77

22.61

42.20

46.20

94.22

94.13

5.3修正S-N曲线

主机架疲劳分析时，还需要确定主机架材料的S-N曲线。通常由试验的方法确定，但在不能进行疲劳试验的情况下，可以根

据材料的极限抗拉强度、

屈服强度和弹性模量等参数合成一条近似的S-N曲线。由于风力机全寿命周期内主机架不能失效，因此GL规范要求疲劳分析时，材料的存活率要达到Pu=97.7%，因此S-N曲线有限寿命区的参考应力幅△σA需乘以减缩系数Spu=2/3

以反映材料存活率的增加；平均应力修正采用Goodman曲线法。在MSC.Fatigue[8]的PFMAT模块的标准材料库中，350-22L对应的材料类型为FCISG（球墨铸铁），材料号为5，其第一疲劳强度指数b1为-0.1339。根据GL规范5.3.3.4.2中对锻轧的非焊接件设计用S/N曲线的指导意见，

有：m=-1=7.468，b12=-=-0.07175

（2），（3）

1修正后的材料S-N曲线，

如图11所示。1E4S-NDataPlot

a）

Pe（Mgna1E3

RssertS1E2

1E01E11E21E31E41E51E61E71E81E91E10

Life

（Cyeles）图11修正的S-N曲线

5.4疲劳循环计算结果

分析采用的载荷谱为时域载荷谱，由厂家提供。采用MSC.Fatigue2005计算得到的疲劳计算结果，

如图12所示。1.11-002

Fringe:df82_fat,oneyear,Damage…AtDutyCycle

1.04-0029.62-0038.88-0038.14-0037.40-0036.66-0035.92-0035.18-0034.44-0033.70-0032.96-0032.22-0031.48-0037.40-004

Z0

Y

X

图12疲劳损伤结果

计算结果显示，主主机架在疲劳载荷作用下，一年时间内的损伤值为0.0111。根据GL规范，风力发电机组的关键零部件在各种工况下需安全运行20年，

则主机架20年的损伤值：D20=20×0.0111=0.22

6结语

（1）在静强度分析中，对主机架最大应力和最大变形影响最大的是工况DLC1.3ca3，最小的是DLC1.1be，最大应力出现的位置都位于维修孔边缘上，在设计时此位置可适当加厚，防止发生塑性变形和破坏；（2）模态分析中，计算得出的主机架前三阶固有频率都不在风轮基频和风轮3倍基频的范围之内，因此在正常工作时，主机架和风轮不会发生共振；（3）根据风力发电机组的受力特点，选择适合于主机架的疲劳分析方法，计算了主机架在20年设计寿命内的疲劳损失，验证了主机架满足20年的寿命要求。计算疲劳所用到的S-N曲线是根据材料属性近似获取的，应通过疲劳强度试验，得到更为准确的S-N曲线，使疲劳分析结果更加准确。

参考文献

1］尹炼，刘文洲.风力发电［M］.北京：中国电力出版社，2002（5）.

2］机械设计手册编委会.机械设计手册［K］.北京：机械工业出版社，2007.

3］朱中平.世界常用钢号手册.北京：中国物资出版社，2003.

4］GL验证规范中文（.第1版），1995.

5］刘国庆，

刘庆东.ANSYS工程应用教程—机械篇［M］.北京：中国铁道出版社，2002（11）.

6］EABossanyi．GHBladedVersion3.67UserManual［R］．2007，Garrad

HassanandPartnersLimited，

2002．7］A.Berkovits，

D.Fang.AnanslyticalmastercurveforGoodmandiagramdata［J］.InternationalJournalofFatigue，1993，15（3）：173-180.

8］周传月，

郑红霞.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例［M］.北京：科学出

版社，2005.

［［［［［［［［

第9期

2011年9月

文章编号：1001-3997（2011）09-0185-03

机械设计与制造

MachineryDesign＆Manufacture

185

永磁直驱风力发电机组主机架强度分析*

何玉林1曾纯亮1常慧英2

（1重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030）（2国电联合动力技术有限公司，北京100044）

Strengthanalysisofpermanent-magnetdirectdrivewindturbinemainframe

HEYu-lin1，ZENGChun-liang1，CHANGHui-ying2（1TheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission，ChongqingUniversity，Chongqing400030，China）

（2GuodianCombinedPowerTechnologyCo.，LTD，Beijing100044，China）

【摘要】运用风力机空气动力学、结构动力学、强度分析等理论和现代设计方法，以GL、IEC、Eu－roCode3等风力发电机组规范为依据，利用非线性有限元分析软件MSC.MARC对主机架结构进行静强度、模态、以及疲劳寿命分析，并对结果进行校核评价。总结了运用MSC.MARC进行风力发电机组关键零部件设计与分析的方法，为风力发电机组零部件的自主设计和结构优化提供可靠的科学依据，具有理论意义和工程使用价值。

关键词：永磁直驱风力发电机组；主机架；强度分析；模态分析；疲劳寿命【Abstract】Basedonwindturbineaerodynamics，structuraldynamics,strengthanalysistheoryandmoderndesignmethodsandaccordingtoGL，IEC，EuroCode3andotherwindturbinestandards，thestaticstrength，modalandfatigueanalysisofmainframestructurewereconductedbynonlinearfiniteelementanal－ysissoftwareMSC.MARC，thenanalysisresultswereassessed.SummarizingthemethodofdesignandanalysisforkeycomponentsofwindturbinebyMSC.MARC，itisareliablescientificbasisforindependentlydesignandstructuraloptimizationofkeycomponentsonwindturbine，andhasahightheoreticalandpracticalvalue.

Keywords：Permanent-magnetdirectdrivewindturbine；Mainframe；Strengthanalysis；Modalanalysis；Fatiguelife

1引言

主机架是永磁直驱风力发电机组中最关键和承载最复杂的可靠的质量和优越点性能是保证风电部件之一，其良好的设计、机组正常稳定运行的关键因素，也是风力发电机组结构设计的重随着计算机及计算技术的飞速发展，特别是适合于复点和难点[1]。

杂结构的有限元分析技术日臻成熟和成功应用，极大改变传统的结构设计与分析方法。运用MSC.MARC有限元分析软件，针对某MW级永磁直驱风力发电机组主机架结构进行静强度、模态、以及在极限工况下的疲劳寿命分析，研究将对国产化大型风力发电机组自主设计开发工作起到重要的理论探索和指导作用，从而为提高我国风力发电设备技术水平，降低风电发电成本，提高市场竞争能力，实现具有自主知识产权的国有化风力发电机组的产业化奠定坚实的基础。

定子

主机架

偏航

外圈

塔简

法兰偏航内圈刹车盘

副机架

2几何模型

永磁直驱风力发电机组的主机架具有较为复杂的三维几何

＊来稿日期：2010-11-24＊基金项目：重庆市科技攻关计划项目（CSCT2007AB3052、CST2007AA3027）

中图分类号：TH16

文献标识码：A

7.1e-9T/mm3[2-3]。

形态。其主要结构包括发电机定子、主机架、辅机架、偏航轴承、刹车盘、塔顶法兰和塔筒，如图1所示。主机架所用的材料特性为屈服强σs=220MPa，弹性模量E=1.69e5MPa，泊松比μ=0.28，密度ρ=

3静强度分析

3.1有限元模型

brakebrake_qiclosed_gapdingziflangemain_frameopen_gapphbearin_inphbearing_outtowernone

图3主机架的有限元模型（细节）

在MSC.Mentat2005r2中建立的MW级主机架的有限元模型，如图2、图3所示。模型采用8节点六面体7号单元划分，单元尺寸为30mm。主机架的结构比较复杂，重点关注主机架的整体静强度，在不影响分析结果的前提下，对实体模型进行了适当的简化处理，故不考虑主机架和发电机定子、主机架和偏航轴承内圈、偏航轴承外圈和刹车盘及塔顶法兰之间的联接螺栓，将各

图1主机架系统的几何结构

图2主机架的有限元模型

部件通过合并节点的方式粘合；非偏航状态下，和主机架相连接的刹车器咬住刹车盘来实现刹车，因此将刹车器和刹车盘通过合并节点的方式设置为粘合，并将一些不影响整体分析的小圆角和

186何玉林等：永磁直驱风力发电机组主机架强度分析

第9期

小倒角进行了特性简化。轴承中滚子只承受压力，不承受拉力，在Marc的单元库中的Gap单元的特性是轴向仅受压不受拉，所以用Gap单元来模拟滚动体，保持内外圈之间力的传递，并不考虑滚珠的变形。

3.2载荷计算

在计算极限强度时，选取了4种设计情况：风力机停车或怠速运行、

停车时突遇部件功能失效等、正常发电、正常发电时突遇电网失效，共16种工况。其中风力停机状态下的工况有4种，正常发电状态下的工况有12种。对应的局部安全系数，如表1所示，具体工况说明见GL规范。所计算得出的极限载荷，

如表2所示。表1极限强度分析采用的工况及局部安全系数

设计情况

工况局部安全系数

风力机停机或怠速运行

6.1a1.356.2a、6.2c1.10

停机时突遇部件功能失效7.1b1.10

风力机正常发电1.1b、1.3c、1.8a、1.5be1.35

风力机正常发电时突遇电网失效2.2a1.10

表2极限载荷

Loadcase

M安全

x

My

Mz

Myz

Fx

Fy

Fz

Fyz

系数

kNmkNmkNmkNmkNkNkNkNkN

1.8al21593.353.596.3110.229.2-11.1-366.4366.61.35……………………………………………………6.2a218.7226.593.7245.125.640.2-93.3101.61.10

3.3边界条件

风力发电机塔筒底部为固定端，故约束塔筒底部6个方向的自由度。采用MPC将轮毂处点工况载荷施加到定子外圈节点上。边界条件设置，如图4所示

。

图4边界条件的施加（二分之一视图）

3.4计算结果

采用MarcMentat2007r1为前后处理器和求解器，以工况DLC1.8al2为例，计算得到的主机架极限应力和变形，如图5、图6所示。

5.611e+0012.068e+0005.051e+0011.867e+0004.490e+0011.666e+0003.929e+0011.466e+0003.368e+0011.265e+0002.808e+0011.064e+002.247e+0018.638e-0012.686e+0016.631e-0011.125e+0014.625e-0015.647e+0002.619e-0013.929e-002

Z6.124e-002

ZY

Y

X

X

图5工况1.8al2下主机架图6工况1.8al2下主机架变形

极限应力结果云图结果云图（放大50倍

）如图3、图4所示，主机架在工况载荷作用下，最大的vonMises等效应力σmax=56.11MPa，出现在维修孔边缘上；最大变形为2.068mm，出现在主机架和定子连接的截面上。根据GL规范，

取安全系数γ。许用应力［σ］=σ

m=1.1s=220=200MPa。定义主机

m架极限强度的材料安全裕度为MSult=［σ］-1=200-1=2.56。

max其他工况下主机架的最大应力和最大变形，如表3所示。

表3其他工况下最大应力和最大变形

工况

最大应力最大变形安全裕度1.8al256.112.0682.567.1bc37.271.5064.37……………………6.2a2

84.74

2.193

1.36

从以上数据可以看出，安全裕度都大于0，说明主机架在极限强度计算工况下的最大应力都在材料的许用应力允许范围之内。

故在风力机运行的过程中，主机架的极限强度是足够的，出现塑性变形或破坏的几率不大。

4模态分析

4.1模态分析的有限元模型

主机架有限元模型采用8节点六面体7号单元划分，单元尺寸为30mm，

总的网格数目为73860。轮毂中心处添加一个集中质量单元，用于模拟轮毂、叶片的质量。在副机架的上方添加一个集中质量单元，用于模拟副机架的附加质量。主机架模态分析的有限元模型，如图7所示

。

图7主机架模态分析的有限元模型

4.2边界条件

考虑到直接约束主机架底部对频率产生的影响，在主机架下面添加偏航轴承内圈，于主机架合并节点，约束偏航轴承内圈的底部所有节点的三个方向的平动自由度和三个方向的转动自由度。

4.3计算结果及分析

经过计算主机架的前三阶固有频率，如表4所示。振型图，如图8~图10所示。

风轮转速为（9~20.76）r/min，所以叶片转动的1p频率为（0.15～0.346）Hz，3p频率为（0.45～1.038）Hz。主机架的一阶频率

是6.4427Hz，二阶频率是10.262Hz，三阶频率是13.032Hz，不在1p和3p频率的范围之内，不会发生共振。

表4主机架前3阶固有频率与风轮工作频率的比较

阶次

123固有频率/Hz

6.442710.26213.032振型描述

x方向的y方向的绕z的

一阶弯矩一阶弯矩一阶扭矩

风轮工频率范围/Hz（0.15～0.346）（0.15～0.346）（0.15～0.346）作基频是否在1p范围内否否否是否引起共振否否否风轮3频率范围/Hz0.45～1.0380.45～1.0380.45～1.038倍基频

是否在3p范围内否否否是否引起共振否否否

4.36-001MSC.Patran2005r215-Oct-0909:59:15

4.07-001Fringe:Default,A3:Mode1:Freq.=6.4427,Eigenvectors,Translational,Magnitude,3.78-001Deform:Default,A3:Mode1:Freq.=6.4427,Eigenvectors,Translational,

3.49-0013.20-0012.91-0012.62-0012.33-0012.04-0011.75-0011.45-001

4.36-0011.16-001

8.73-0025.82-0022.91-002

图8主机架的一阶模态振型

No.9Sep.2011

机械设计与制造

187

1.16-001MSC.Patran2005r215-Oct-0910:04:39

1.08-001Fringe:Default,A3:Mode2:Freq.=10.262,Eigenvectors,Translational,Magnitude,1.00-001Deform:Default,A3:Mode2:Freq.=10.262,Eigenvectors,Translational,

9.26-0028.49-0021.16-001

7.72-0026.95-0026.18-0025.40-0024.63-0023.86-0023.09-0022.32-0021.54-0027.72-003

图9主机架的二阶模态振型

3.57-001MSC.Patran2005r215-Oct-0910:05:50

3.33-001Fringe:Default,A3:Mode3:Freq.=13.032,Eigenvectors,Translational,Magnitude,3.09-001Deform:Default,A3:Mode3:Freq.=13.032,Eigenvectors,Translational,

2.85-0012.62-0012.38-0012.14-0013.57-001

1.90-001

1.67-0011.43-0011.19-0019.52-0027.14-0024.76-0022.38-002

图10主机架的三阶模态振型

5疲劳分析

5.1计算理论

简化疲劳分析采用的等效常域谱是由Palmgren/Miner[6-7]

线

性累积损伤理论得到：D=Σni

i

N燮1.0（1）

mnfi式中：

ni—典型载荷谱的第i级载荷的计算疲劳循环次数；Si—与第i级载荷计算循环次数相对应的应力（或应变），包括平均应力和循环顺序的影响；N燮γmγnγfSi燮—疲劳破坏循环次数，它是以应力（或应变）为自变量的函数；γmγnγf—相应的材料局部安全系数、破坏后果局部安全系数和载荷安全系数。对于所有正常和非正常设计工况，载荷局部安全系数为1.0。

5.2疲劳应力计算

疲劳应力计算在MSC.Mentat2005r2有限元分析软件中完成，计算模型与静强度分析模型相同。在轮毂中心点（即RBE3单元的控制节点）分别施加六个工况的极限载荷，极限载荷值，如表5所示。在之后进行疲劳计算时，再通过载荷系数的设置对应力结果进行正则化处理。经过计算，得到各极限载荷工况下主机架的疲劳应力，如表6所示。

表5极限载荷

Mx（kNm）My（kNm）M（zkNm）Fx（kN）

Fy（kN）F（zkN）1593.33654.7-3462.5

439.8

-228.6

-429.3

表6极限载荷下主机架的极限应力

工况

lc_Fxlc_Fylc_Fzlc_Mxlc_Mylc_Mz最大应力MPa

15.77

22.61

42.20

46.20

94.22

94.13

5.3修正S-N曲线

主机架疲劳分析时，还需要确定主机架材料的S-N曲线。通常由试验的方法确定，但在不能进行疲劳试验的情况下，可以根

据材料的极限抗拉强度、

屈服强度和弹性模量等参数合成一条近似的S-N曲线。由于风力机全寿命周期内主机架不能失效，因此GL规范要求疲劳分析时，材料的存活率要达到Pu=97.7%，因此S-N曲线有限寿命区的参考应力幅△σA需乘以减缩系数Spu=2/3

以反映材料存活率的增加；平均应力修正采用Goodman曲线法。在MSC.Fatigue[8]的PFMAT模块的标准材料库中，350-22L对应的材料类型为FCISG（球墨铸铁），材料号为5，其第一疲劳强度指数b1为-0.1339。根据GL规范5.3.3.4.2中对锻轧的非焊接件设计用S/N曲线的指导意见，

有：m=-1=7.468，b12=-=-0.07175

（2），（3）

1修正后的材料S-N曲线，

如图11所示。1E4S-NDataPlot

a）

Pe（Mgna1E3

RssertS1E2

1E01E11E21E31E41E51E61E71E81E91E10

Life

（Cyeles）图11修正的S-N曲线

5.4疲劳循环计算结果

分析采用的载荷谱为时域载荷谱，由厂家提供。采用MSC.Fatigue2005计算得到的疲劳计算结果，

如图12所示。1.11-002

Fringe:df82_fat,oneyear,Damage…AtDutyCycle

1.04-0029.62-0038.88-0038.14-0037.40-0036.66-0035.92-0035.18-0034.44-0033.70-0032.96-0032.22-0031.48-0037.40-004

Z0

Y

X

图12疲劳损伤结果

计算结果显示，主主机架在疲劳载荷作用下，一年时间内的损伤值为0.0111。根据GL规范，风力发电机组的关键零部件在各种工况下需安全运行20年，

则主机架20年的损伤值：D20=20×0.0111=0.22

6结语

（1）在静强度分析中，对主机架最大应力和最大变形影响最大的是工况DLC1.3ca3，最小的是DLC1.1be，最大应力出现的位置都位于维修孔边缘上，在设计时此位置可适当加厚，防止发生塑性变形和破坏；（2）模态分析中，计算得出的主机架前三阶固有频率都不在风轮基频和风轮3倍基频的范围之内，因此在正常工作时，主机架和风轮不会发生共振；（3）根据风力发电机组的受力特点，选择适合于主机架的疲劳分析方法，计算了主机架在20年设计寿命内的疲劳损失，验证了主机架满足20年的寿命要求。计算疲劳所用到的S-N曲线是根据材料属性近似获取的，应通过疲劳强度试验，得到更为准确的S-N曲线，使疲劳分析结果更加准确。

参考文献

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2］机械设计手册编委会.机械设计手册［K］.北京：机械工业出版社，2007.

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