一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法技术

本发明专利技术涉及一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，通过几何建模、动力学建模与动力学仿真分析，确定变桨柜及其支架在轮毂转动过程中的两个危险位置工况(即极限位置工况)，然后基于极限位置工况，建立包括变桨柜及其支架在内的有限元模型，分别施加重力载荷，进行两个极限位置工况下的有限元计算，两个有限元应力，根据这两个有限元应力计算得到变桨柜及其安装支架的极限安全系数和疲劳安全系数。通过上述方法，本发明专利技术得到的安装支架的应力大小和危险位置工况的准确度高，符合变桨柜及其支架在轮毂转动过程中的实际受力情况，能够实现变桨柜安装支架强度的准确校核。

A Strength Calculating Method for Installation Support of Wind Turbine Propeller Cabinet

The present invention relates to a method for calculating the strength of the mounting bracket of the propeller cabinet of wind turbine. Through geometric modeling, dynamic modeling and dynamic simulation analysis, two dangerous position conditions (i.e. limit position conditions) of the propeller cabinet and its bracket in the process of hub rotation are determined. Then, based on the limit position conditions, a finite element model including the propeller cabinet and its bracket is established. The limit safety factor and fatigue safety factor of the propeller cabinet and its mounting bracket are calculated according to the two finite element stresses. By the above method, the stress magnitude and the working condition of dangerous position of the installation bracket obtained by the present invention are high in accuracy, which conform to the actual stress situation of the propeller cabinet and its bracket in the process of hub rotation, and can realize the accurate check of the strength of the installation bracket of the propeller cabinet.

【技术实现步骤摘要】
一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法
本专利技术属于风力发电设备性能检测
，具体涉及一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法。
技术介绍
随着社会经济的快速发展，人们对能源的需求也在迅猛增长。然而受限于碳排放等环境因素，以及存储量的日益消耗，作为不可再生能源的化石能源的使用受到一定程度的限制，所以人们正在积极的寻找其它清洁无污染的可再生能源，以替代传统的化石能源。风能、太阳能等清洁能源，越来越受到人们的重视，尤其是风能。由于国家政策的大力支持，近几年风电机组的国产化程度逐渐提高。为了保证风电机组设备的可靠性，需要对风机中各部件的疲劳强度等性能进行分析。变桨系统在MW级风力发电机组结构和控制系统中起着重要的作用，变桨柜安装支架作为变桨柜与轮毂之间的连接结构，对变桨系统起着承载和支撑作用。如果变桨柜安装支架发生疲劳破坏，不仅会损坏变桨系统，影响风力发电性能，甚至会引发安全事故，因此为了保证风电机组设备的正常运行，需要对变桨柜安装支架的强度进行校核。目前，大部分学者主要集中风力发电机组内部轮毂、主机架、后机架、连接螺栓和塔筒等部件的强度设计进行分析计算，而没有对风力发电机变桨柜安装支架的强度进行计算，因此，不能估计出安装支架对整个发电机组造成的影响，无法保证风电机组设备的正常运行。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，用于解决现有技术由于没有对发电机变桨柜安装支架的强度进行计算导致风电机组设备的可靠性低的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，包括以下步骤：1)建立变桨柜及其安装支架的几何模型，该几何模型中包括轮毂、变桨柜与安装支架；2)建立所述几何模型的动力学仿真模型，获取变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的受力变化情况，确定变桨柜及其安装支架在轮毂转动一周过程中受力最大与最小的两个极限位置工况；3)对所述几何模型进行网格划分，分别建立所述两个极限位置工况下的有限元模型；4)对两个极限位置工况下的有限元模型分别施加重力载荷，计算得到对应两个极限位置工况下，变桨柜及其安装支架在轮毂转动一周过程中焊缝热点的两个有限元应力，将安装支架部件的许用应力与每个有限元应力进行比较，得到变桨柜安装支架的极限安全系数。本专利技术首先通过几何建模、动力学建模与动力学仿真分析，确定变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的两个危险位置工况(即极限位置工况)，然后基于极限位置工况，建立包括变桨柜及其安装支架在内的有限元模型，分别施加重力载荷，进行两个极限工况下的有限元计算，得到对应两个极限位置工况下，变桨柜及其安装支架在轮毂转动一周过程中焊缝热点的两个有限元应力，一种极限位置工况下计算得到的有限元应力最大，另一种极限位置工况下得到的有限元应力最小，将安装支架部件的许用应力与每个有限元应力进行比较，最终得到两个变桨柜安装支架的极限安全系数，两个极限安全系数都用于结构的极限强度评估，当其中较小的极限安全系数大于1时，即认为结构的极限强度满足GL规范设计要求。通过上述方法，本专利技术得到的安装支架的应力大小和危险位置工况的准确度高，符合变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的实际受力情况，能够实现变桨柜安装支架强度的准确校核。为了得到有限元应力，通过以下步骤确定：根据在安装支架的焊缝热点处建立坐标系，基于该坐标系分别提取焊缝热点的应力分量，根据焊缝热点的应力分量计算焊缝热点的等效应力，将焊缝热点的等效应力作为所述有限元应力。焊缝热点的等效应力的计算式如下：式中，σeqv为焊缝热点的等效应力，σx、σy、τxy为计算得到焊缝热点的三个应力分量。为得到焊缝热点的准确应力分量，还包括：根据安装支架的焊接结构热点类型，采用热点应力法对安装支架的焊缝热点进行应力外推计算，得到所述焊缝热点的准确应力分量。为了得到变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的受力变化情况，还包括：利用动力学仿真模型在轮毂中心施加绕轮毂轴向的旋转角速度与重力加速度，并进行动力学分析得到变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的受力变化情况。为解决上述技术问题，本专利技术还提出一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，还包括以下步骤：1)建立变桨柜及其安装支架的几何模型，该几何模型中包括轮毂、变桨柜与安装支架；2)建立所述几何模型的动力学仿真模型，获取变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的受力变化情况，确定变桨柜及其安装支架在轮毂转动一周过程中受力最大与最小的两个极限位置工况；3)对所述几何模型进行网格划分，分别建立所述两个极限位置工况下的有限元模型；4)对两个极限位置工况下的有限元模型分别施加重力载荷，计算得到对应两个极限位置工况下，变桨柜及其安装支架在轮毂动一周转过程中焊缝热点的两个有限元应力，结合临界平面算法，分别计算得到两个焊缝热点的正应力值；5)根据轮毂在一周运行过程中疲劳载荷的变化构造疲劳载荷时序谱，结合材料的S/N曲线与焊缝热点的两个焊缝热点的正应力值，计算得到安装支架的疲劳损伤与疲劳安全系数。本专利技术通过几何建模、动力学建模与动力学仿真分析，确定变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的两个危险位置工况(即极限位置工况)，然后基于极限位置工况，建立包括变桨柜及其安装支架在内的有限元模型，分别施加重力载荷，得到两个有限元应力(分别对应两个极限位置工况)，结合临界平面算法，分别计算得到两个焊缝热点的正应力值，结合材料的S/N曲线与疲劳载荷时序谱，计算得到安装支架的疲劳安全系数。本专利技术能够模拟真实的变桨柜及其安装支架在风轮转动过程中的实际受力情况，能够在风机正常运行工况下准确可靠地得到轮毂内部变桨柜安装支架的疲劳损伤与疲劳安全系数。上述焊缝热点的正应力值的计算式如下：式中，σx(t,θ)为在角度θ下的焊缝热点的正应力值，为根据在安装支架的焊缝热点处建立坐标系、基于该坐标系分别提取焊缝热点的三个应力分量。得到焊缝热点的准确应力分量，还包括：根据安装支架的焊接结构热点类型，采用热点应力法对安装支架的焊缝热点进行应力外推计算，得到所述焊缝热点的准确应力分量。附图说明图1是本专利技术实施例中包含轮毂、变桨柜及其安装支架的几何模型示意图；图2是本专利技术实施例中包含轮毂、变桨柜及其安装支架的动力学模型示意图；图3是本专利技术实施例中变桨柜及其支架随轮毂转动过程中受力变化图；图4-a是本专利技术实施例中变桨柜及其安装支架一种极限位置工况示意图；图4-b是本专利技术实施例中变桨柜及其安装支架另一种极限位置工况示意图；图5是本专利技术实施例中变桨柜及其支架有限元模型示意图；图6是本专利技术的焊趾处结构应力的示意图；图7是本专利技术的焊接结构热点类型的示意图；图8-1是本专利技术的a型焊缝的示意图；图8-2是本专利技术的b型焊缝的示意图；图9是本专利技术的临界平面与应力示意图；图10是本专利技术实施例中变桨柜安装支架焊缝的S/N曲线图；图11是本专利技术的风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法流程图；以上附图的标号说明如下：1为轮毂，2为变桨柜，3为变桨柜安装支架，4为弹性支撑，5为轮毂凸台，6为人孔，7为变桨柜体重心，8为垂直平面；9为变桨柜柜体，10为变桨柜底板，11为变桨柜安装支架(下称安装支架)。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立变桨柜及其安装支架的几何模型，该几何模型中包括轮毂、变桨柜与安装支架；2)建立所述几何模型的动力学仿真模型，获取变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的受力变化情况，确定变桨柜及其支架在轮毂转动一周过程中受力最大与最小的两个极限位置工况；3)对所述几何模型进行网格划分，分别建立所述两个极限位置工况下的有限元模型；4)对两个极限位置工况下的有限元模型分别施加重力载荷，计算得到对应两个极限位置工况下，变桨柜及其安装支架在轮毂转动一周过程中焊缝热点的两个有限元应力，将安装支架部件的许用应力与每个有限元应力进行比较，得到变桨柜安装支架的极限安全系数。

【技术特征摘要】
1.一种风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立变桨柜及其安装支架的几何模型，该几何模型中包括轮毂、变桨柜与安装支架；2)建立所述几何模型的动力学仿真模型，获取变桨柜及其安装支架在轮毂转动过程中的受力变化情况，确定变桨柜及其支架在轮毂转动一周过程中受力最大与最小的两个极限位置工况；3)对所述几何模型进行网格划分，分别建立所述两个极限位置工况下的有限元模型；4)对两个极限位置工况下的有限元模型分别施加重力载荷，计算得到对应两个极限位置工况下，变桨柜及其安装支架在轮毂转动一周过程中焊缝热点的两个有限元应力，将安装支架部件的许用应力与每个有限元应力进行比较，得到变桨柜安装支架的极限安全系数。2.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，其特征在于，所述有限元应力通过以下步骤确定：根据在安装支架的焊缝热点处建立坐标系，基于该坐标系分别提取焊缝热点的应力分量，根据焊缝热点的应力分量计算焊缝热点的等效应力，将焊缝热点的等效应力作为所述有限元应力。3.根据权利要求2所述的风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，其特征在于，还包括：根据安装支架的焊接结构热点类型，采用热点应力法对安装支架的焊缝热点进行应力外推计算，得到所述焊缝热点的准确应力分量。4.根据权利要求3所述的风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，其特征在于，焊缝热点的等效应力的计算式如下：式中，σeqv为焊缝热点的等效应力，σx、σy、τxy为计算得到焊缝热点的三个应力分量。5.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨柜安装支架的强度计算方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨扬，何海建，程林志，苏凤宇，仝世伟，孟令锐，晁贯良，
申请(专利权)人：许继集团有限公司，许昌许继风电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41