一种机舱罩刚度和稳定性确定方法技术

本发明专利技术提供一种机舱罩刚度和稳定性确定方法，包括：建立风电机组机舱罩的三维几何模型；将三维几何模型导入有限元分析软件，对罩体外壳进行铺层建模；定义机舱罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组机舱罩的有限元模型；对风电机组机舱罩的有限元模型施加边界条件和载荷；计算风力风电机组机舱罩的最大变形值和最小屈曲因子；通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。本发明专利技术对复合材料铺层建模，基于材料的正交各向异性定义材料属性，采用变形值和屈曲因子评估计算结果，判定方法更加合理，计算结果更准确。

A Method for Determining Rigidity and Stability of Cabin Cover

【技术实现步骤摘要】
一种机舱罩刚度和稳定性确定方法
本专利技术属于风力发电机组部件强度分析
，具体涉及一种机舱罩刚度和稳定性确定方法。
技术介绍
随着现代社会的不断发展，人们对能源的需求也快速增长。不可再生能源的传统能源因环境和贮备量不断受到限制。国家和政府正在积极发展清洁并可再生能源，以取代传统的不可再生能源。风能是一种重要的清洁能源，对于解决全球环境和能源危机具有重要意义。近年来，受到政策鼓励，国内风力发电机组发展迅速，累计装机容量已突破1.9亿千瓦。风力机组的安全问题至关重要，为了保证设备的可靠性，必须对风力机组各个部件的结构性能进行计算分析。机舱罩作为风力发电机组的外壳，用于保护机舱内机械和电气部件，免收阳光、雨水和冰雪等影响，同时为工作人员维护舱内设备提供安全防护和工作空间。机舱罩安全可靠是风电机组正常运行的重要前提，复合材料机舱罩的刚度和稳定性分析是衡量部件可靠性的关键因素。然而国内企业和机构尚未公开相关的专利技术专利。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种风电机组机舱罩刚度和稳定性计算方法，本专利技术基于复合材料有限元仿真技术，用于解决当前该
应用少、计算不准确的问题。本专利技术提供了如下的技术方案：一种机舱罩刚度和稳定性确定方法，包括以下步骤：1、建立风电机组机舱罩的三维几何模型，包括由玻璃纤维材料制成的罩体外壳、位于罩体外壳内的钢结构和泡沫增强结构以及位于罩体外壳顶部的护栏和风速风向仪，所述罩体外壳由胶衣层以及铺设于胶衣层上的玻璃纤维层组成，所述钢结构由内部的结构钢层以及包裹于结构钢层外的玻璃纤维层组成，所述泡沫增强结构由内部的泡沫增强层以及包裹于泡沫增强层外的玻璃纤维层组成；2、将风电机组机舱罩的三维几何模型导入有限元分析软件，对玻璃纤维层进行铺层建模，玻璃纤维层铺层建模细化到单层纤维层，且考虑树脂灌注作用；3、定义风电机组机舱罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组机舱罩的有限元模型；4、对风电机组机舱罩的有限元模型施加边界条件；5、对风电机组机舱罩的有限元模型施加载荷；6、计算风力风电机组机舱罩的最大变形值和最小屈曲因子；7、通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。优选的，步骤3中，定义材料属性时，分别定义沿玻璃纤维方向和垂直玻璃纤维方向的杨氏模量和泊松比；定义截面属性时，玻璃纤维层采用壳单元模拟，玻璃纤维层由几层至十几层的单层玻璃纤维组成，各层玻璃纤维的类型、厚度、铺设角度分别定义；泡沫增强层、结构钢层和胶衣层均采用壳单元模拟。优选的，步骤4中，对风电机组机舱罩的有限元模型施加边界条件，定义风速风向仪为质量点，质量点与安装面建立约束方程；罩体外壳和钢结构间相互粘接，在风电机组机舱罩的有限元模型中定义接触面多点约束；风电机组机舱罩整体固定在底座上，在风电机组机舱罩的有限元模型中定义固定约束。优选的，步骤5中，施加的载荷包括风载荷、重力载荷和活载荷；风载荷为对机舱罩外表面的各受风端面分别施加极限风压载荷；重力载荷为施加机舱罩自重载荷；活载荷为对机舱罩行走区域、站立区域和水平防护区域施加均布压力；在风机机组机舱罩吊眼和护栏施加集中力，集中力的方向为每个可能发生掉落的方向。优选的，步骤6中，包括重力载荷与活载荷叠加以及重力载荷与风载荷叠加两种极限工况，以计算机舱罩的极限性能。优选的，步骤7中，采用最大变形值对风电机组机舱罩的刚度进行评估，以机舱罩的最小径向跨度和变形许用比例计算的许用变形为准则；采用最小屈曲因子对风电机组机舱罩的稳定性进行评估，根据玻璃钢复合材料稳定性分析对应的材料安全系数计算得到屈曲安全系数。优选的，根据机舱罩的跨度和变形许用比例计算其许用变形wlimit。对机舱罩，取其最小径向跨度。对有限元计算得到的各工况下的最大变形w按载荷安全系数进行折减，各工况对应的折减系数χ取工况组合中最小的载荷安全系数，折减后的变形ωχ为：ωχ＝ω/χ，(1)变形安全系数Sdef为：Sdef＝wlimit/ωχ。(2)优选的，屈曲因子计算大于0的前3阶，取前3阶的最小值作为最小屈曲因子Qmin。根据计算得到屈曲安全系数sb为：sb＝Qmin/rm。(3)本专利技术的有益效果是：本专利技术所提供的技术方案中，基于机舱罩为正交各向异性的复合材料的材料性质和实际生产工艺，有限元建模时进行复合材料铺层，定义各层玻璃纤维力学性能参数并考虑树脂灌注，有限元模型更加符合实际；有限元模型载荷和边界条件严格按照计算标准，机舱罩受力情况更加真实，计算结果更为准确；采用变形值和屈曲因子评估计算结果，判定方法更加合理。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是本专利技术的风电机组机舱罩几何模型示意图；图2是本专利技术的风电机组机舱罩内部的钢结构示意图；图3是对专利技术的风电机组机舱罩的罩体外壳进行铺层建模时的材料剖面结构示意图。具体实施方式下面结合附图具体描述本专利技术的最优实施方式。本专利技术的一种机舱罩刚度和稳定性确定方法，包括以下步骤：1、建立风电机组机舱罩的几何模型，如图1、2所示，包括玻璃钢复合材料的罩体外壳1、罩体外壳内的钢结构4和固定于罩体外壳顶部的护栏2和风速风向仪3，其中风电机组机舱罩整体固定在底座上，罩体外壳1和钢结构4间相互粘接。2、对风电机组机舱罩几何模型进行适当简化，删除细小的螺纹孔和倒角；将风电机组机舱罩的三维几何模型导入有限元分析软件ANSYSWorkbench。由于复合材料为正交各向异性材料，应用软件前处理功能，对机舱罩进行铺层建模，如图3所示，建立胶衣层11、玻璃纤维层12、泡沫增强层13。其中，玻璃纤维层铺层建模细化到单层纤维层，如短切毡，复合毡，双轴向布等；且考虑树脂灌注作用。此建模方法更为复合实际工艺，计算结果更加准确。3、在有限元分析软件前处理中，定义机舱罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组机舱罩的有限元模型。在定义材料属性时，由于玻璃纤维为正交各向异性材料，沿着纤维方向和垂直纤维方向的材料性质完全不同，需要分别定义玻璃纤维层不同方向的杨氏模量和泊松比：诸如某600g/m2预浸料纤维材料定义如下材料参数：纤维方向的杨氏模量E11为29095MPa，垂直纤维方向的杨氏模量E22为8390MPa，三泊松比为0.293，切线模量为3180MPa。定义玻璃纤维层纤维方向的拉伸强度为560MPa，垂直纤维方向的拉伸强度为560MPa,纤维方向的压缩强度为60MPa，垂直纤维方向的压缩强度为110MPa，面内剪切强度为12MPa。在定义截面属性时，玻璃纤维层采用壳单元模拟，玻璃纤维层由几层至十几层的单层玻璃纤维组成，各层玻璃纤维的类型、厚度、铺设角度等不同，需要分别定义，如以下一个厚度约为7mm的机舱罩的铺层建模如下表1；泡沫增强层采用壳单元模拟，胶衣层采用壳单元模拟。表1某机舱罩玻璃纤维层截面属性定义名称单层厚度数量总厚度总面密度铺设角度短切毡0.3510.354500°复合毡1.1511.15125045°双轴向布11112000°双轴向布11112000°双轴向布11112000°复合毡1.1511.15125045°复合毡1.1511.151250-45°短切毡0.3510.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机舱罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立风电机组机舱罩的三维几何模型，包括由玻璃纤维材料制成的罩体外壳、位于罩体外壳内的钢结构和泡沫增强结构以及位于罩体外壳顶部的护栏和风速风向仪，所述罩体外壳由胶衣层以及铺设于胶衣层上的玻璃纤维层组成，所述钢结构由内部的结构钢层以及包裹于结构钢层外的玻璃纤维层组成，所述泡沫增强结构由内部的泡沫增强层以及包裹于泡沫增强层外的玻璃纤维层组成；S2、将风电机组机舱罩的三维几何模型导入有限元分析软件，对玻璃纤维层进行铺层建模，玻璃纤维层铺层建模细化到单层纤维层，且考虑树脂灌注作用；S3、定义风电机组机舱罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组机舱罩的有限元模型；S4、对风电机组机舱罩的有限元模型施加边界条件；S5、对风电机组机舱罩的有限元模型施加载荷；S6、计算风力风电机组机舱罩的最大变形值和最小屈曲因子；S7、通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。

【技术特征摘要】
1.一种机舱罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立风电机组机舱罩的三维几何模型，包括由玻璃纤维材料制成的罩体外壳、位于罩体外壳内的钢结构和泡沫增强结构以及位于罩体外壳顶部的护栏和风速风向仪，所述罩体外壳由胶衣层以及铺设于胶衣层上的玻璃纤维层组成，所述钢结构由内部的结构钢层以及包裹于结构钢层外的玻璃纤维层组成，所述泡沫增强结构由内部的泡沫增强层以及包裹于泡沫增强层外的玻璃纤维层组成；S2、将风电机组机舱罩的三维几何模型导入有限元分析软件，对玻璃纤维层进行铺层建模，玻璃纤维层铺层建模细化到单层纤维层，且考虑树脂灌注作用；S3、定义风电机组机舱罩各部件的材料属性和截面属性，建立风电机组机舱罩的有限元模型；S4、对风电机组机舱罩的有限元模型施加边界条件；S5、对风电机组机舱罩的有限元模型施加载荷；S6、计算风力风电机组机舱罩的最大变形值和最小屈曲因子；S7、通过最大变形值和最小屈曲因子对于罩体外壳的玻璃钢部件刚度和稳定性进行评估。2.根据权利要求1所述的一种机舱罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，步骤3中，定义材料属性时，分别定义沿玻璃纤维方向和垂直玻璃纤维方向的杨氏模量和泊松比；定义截面属性时，玻璃纤维层采用壳单元模拟，玻璃纤维层由几层至十几层的单层玻璃纤维组成，各层玻璃纤维的类型、厚度、铺设角度分别定义；泡沫增强层、结构钢层和胶衣层均采用壳单元模拟。3.根据权利要求1所述的一种机舱罩刚度和稳定性确定方法，其特征在于，步骤4中，对风电机组机舱罩的有限元模型施加边界条件，定义风速风向仪为质量点，质量点与安装面建立约束方程；罩体外壳和钢结构间相互粘接，在风电机组机舱罩的有限元模型中定义接触面多点约束；风电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：王杰，孟庆鑫，李壮，睢广坤，
申请(专利权)人：南京中人能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32