兆瓦级风力发电机组轮毂强度数值分析
摘要： 基于GL规范，采用有限元法对某兆瓦级风力发电机组轮毂进行极限强度分析.对轮毂SN曲线进行修正，分析疲劳计算需要考虑的载荷工况，使用GH Bladed软件仿真得到疲劳计算所需的载荷时间序列.使用ANSYS/nCode软件对轮毂进行疲劳寿命分析，结果表明轮毂的极限强度和疲劳强度均满足设计规范的要求.分析结果可以为兆瓦级风力发电机组轮毂的结构设计提供参考.
关键词： 风力发电机组； 轮毂； 极限强度； 疲劳； SN曲线； 有限元
中图分类号： TM315文献标志码： B
Abstract： According to the GL standards， the finite element method is used to analyze the extreme strength of the hub of a MW class wind turbine generator system. The SN curve of the hub is modified and the fatigue load cases are analyzed for fatigue calculation， and the load time series for fatigue calculation are simulated by GH Bladed software. The fatigue life of the hub is calculated by ANSYS/nCode software， and the results show that both the extreme strength and fatigue strength of the hub can meet the design requirements. The
analysis results can provide reference for the design of the hub of MW class wind turbine generator system.
Key words： wind turbine generator system； hub； extreme strength； fatigue； SN curve； finite element 0引言
随着风力发电机组向大功率方向发展，兆瓦级风力发电机组已成为市场上的主力机型.[1]轮毂是风力发电机组中非常重要的部件之一，其圆周均布3个法兰与叶片连接，侧端面法兰与风力机机舱主轴相连.因为叶片承受的静、动载荷直接传递到轮毂上，进而传递到整个风力机上去，所以轮毂的受力情况非常复杂，其设计的好坏直接影响到风力发电机组的正常运行和使用寿命.
轮毂的主要失效形式有2?N：（1）在极限载荷工况下高应力区域发生塑性变形或产生裂纹；（2）在随时间变化的动态随机载荷作用下发生疲劳失效.为保证风电机组正常工作，需要分别对轮毂的极限强度和疲劳强度进行校核计算. 近年来，很多科研工作者和工程技术人员对风电机组关键结构件的设计和分析进行研究.高俊云等[2]对风力机疲劳载荷的来源和疲劳计算方法进行分析，介绍ANSYS/FESafe软件的理论基础和分析过程并对某1.5 MW风力机主轴的疲劳寿命进行计算.杨兆忠等[3]对焊接结构的机架应用差值外推法得到焊址处单位载荷作用下的应力，并根据GL规范对
机架进行疲劳损伤判断.现有的关于风电机组关键结构件疲劳强度的分析研究，大多采用等效常幅谱的简化疲劳分析方法，如何玉林等[4]分析永磁直驱风电机组主机架的疲劳强度及何玉林等[5]和邓良等[6]计算轮毂的疲劳强度.由于这种方法对实际载荷进行简化，没有考虑各载荷分量方向的变化，因此计算结果误差较大.本文基于GL规范[7]首先对某MW级风力发电机组轮毂进行极限强度分析，接着在对轮毂材料SN曲线进行修正的基础上，使用载荷时间序列及损伤累积方法，对轮毂进行疲劳寿命分析. 1轮毂的极限强度分析
某兆瓦级风力发电机组轮毂的三维实体模型见图1.轮毂采用铸件结构型式，材料为球墨铸铁ENGJS350，弹性模量E=1.69×1011 N/m2，泊松比μ=0.275，密度ρ=7 100 kg/m3，极限强度σb=350 MPa，屈服强度σs=200 MPa.
根据轮毂整体结构特性，建立有限元模型，见图2.网格采用8节点六面体单元划分，主轴（假体）端部约束，叶片根部中心点与变浆轴承（假体）端面MPC连接，在3个叶根中心点施加极限工况载荷.根据GL规范，风力发电机组关键结构件计算时所采用的载荷由设计时定义的运行工况确定.在确定极限强度分析所采用的工况时，需考虑5种设计状况（见表1），对应叶片坐标系下叶根极限载荷工况共48种.对48种极限载荷工况进行分析计算（考虑重力载荷），得到