一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法技术

本发明专利技术属于静强度计算方法技术领域，具体涉及一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法，目的是解决现有计算方法中存在的问题，采用多段细化梁单元建模，同时采用批处理加载，提高仿真的准确度和效率。其特征在于：它包括结构部件有限元建模；约束边界设置；载荷边界设置；多载荷工况批处理。本发明专利技术采用多段梁单元进行模拟螺栓，采用多段建模目的在于消除单根梁模拟过程中单元内应力平均化导致的模拟结果欠真实的问题；考虑到真实高强螺栓受力截面积不同，螺纹段因为螺纹原因，导致受力面积减小的问题，因此螺栓螺纹段、螺杆段采用不同直径进行建模，使建模更加真实、接近现实。

A Method for Calculating the Ultimate Strength of Connecting Bolts of Variable Propeller Bearings of Wind Turbines

【技术实现步骤摘要】
一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法
本专利技术属于静强度计算方法
，具体涉及一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法。
技术介绍
风机各结构件之间的变桨轴承连接螺栓在发电机组各结构间中起传递载荷，承担部分载荷作用，其强度性能决定了风机在工作过程中的稳定性和可靠性。现在风机两个部件间有十几个螺栓，两圈就有上百个，以往的螺栓静强度计算要么用实体单元进行建模，造成工作量大，效率低下。要么采用三位梁单元建模，一般采用三段，每个梁单元有限元应力计算过程中应力被平均，未能体现螺栓螺纹与螺杆过渡处应力集中的问题，仿真偏离实际，得到的计算结果偏危险。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有计算方法中存在的问题，采用多段细化梁单元建模，同时采用批处理加载，提高仿真的准确度和效率。本专利技术是这样实现的：一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法，具体包括如下步骤：步骤一：结构部件有限元建模。由于结构是中心对称结构因此选取1/3轮毂结构、变桨轴承结构、叶片结构进行有限元建模，轮毂结构采用二阶四面体实体单元建模。变桨轴承结构因涉及螺栓对网格要求较高，采用六面体单元进行划分网格。同时考虑变桨轴承内外圈利用滚子传递载荷的非线性特性，采用只受压不受拉的GAP单元进行连接轴承内外圈模拟滚子特性。叶片采用大于直径1.5倍的六面体单元划分的假体模拟。部件连接，变桨轴承内圈与叶片之间、变桨轴承外圈与轮毂之间采用建立摩擦接触对进行模拟。螺栓建模，风力发电机组变桨连接螺栓采用的是高强普通螺栓，螺栓分两圈，分别用于连接变桨轴承外圈与轮毂结构、变桨轴承内圈和叶片结构。螺栓分为螺纹部分、螺杆部分、螺母部分三部分。本专利技术螺栓建模采用多段梁单元进行建模，螺纹部分按几何长度均分4段，建立四个首尾相接梁单元，螺纹与螺杆过渡段4-5cm建立两个梁单元，剩余螺杆部分均匀划分10段左右，建立10个梁单元。螺纹段采用应力截面积所对应的直径建模，螺杆段采用螺栓的公称直径建模。螺纹段每个梁单元上下均用直径5mm左右的梁单元与螺栓孔周围单元绑定，螺栓最上端与孔最上端螺孔绑定，模拟螺母拧紧。步骤二：约束边界设置。约束1/3轮毂剖切面X、Y、Z方向的平动与转动自由度，约束变桨轴承内齿圈区域在叶根坐标系下的Z向转动约束。步骤三：载荷边界设置。1/3轮毂与变桨轴承外圈、变桨轴承内圈与叶片之间均通过螺栓进行夹紧，在分析模型中，采用螺栓预紧力进行模拟，施加在螺杆中段节点单元上。在变桨连接螺栓结构的静强度分析中，载荷主要是通过叶根载荷实现的，在叶根坐标系的原点建立控制点，然后将控制点与叶片端面进行刚性连接，通过刚性传递载荷，在控制点上施加载荷。步骤四：多载荷工况批处理。本模型中将控制点建成set，输出有限元模型作为基本Base文件，另通过Matlab程序建立各个载荷工况文件。这样每次计算提交各个载荷计算文件时，每个载荷工况文件自动调用有限元模型基本文件，实现多载荷工况批处理。本专利技术的有益效果是：首先，采用多段梁单元进行模拟螺栓，采用多段建模目的在于消除单根梁模拟过程中单元内应力平均化导致的模拟结果欠真实的问题；其次，考虑到真是高强螺栓受力截面积不同，螺纹段因为螺纹原因，导致受力面积减小的问题，因此螺栓螺纹段、螺杆段采用不同直径进行建模，使建模更加真实、接近现实。再次，根据工程经验、螺栓受力最大部位在螺纹段和螺杆段连接部分，这是因为应力面积不同导致。因此建模过程中对螺纹段与螺杆段细化两段建模，目的在于消除单根梁模拟过程中单元内应力平均化，是计算结果更准确。再次，本专利技术将基本几何建模文件模板化，建立批处理各载荷工况机制，大大简化多工况手动加载的繁杂步骤，节省建模加载时间，减少出错率。附图说明图1是变桨连接螺栓静强度计算几何模型；图2是变桨轴承内外圈gap单元连接；图3是单个螺栓3D视图；图4是变桨连接螺栓连接图；图5是轮毂结构约束；图6是变桨轴承约束。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步描述。需要指出，本专利技术的连接螺栓结构件的静强度计算方法适用于任何涉及风机变桨轴承连接螺栓的静强度计算，而不仅限于在本申请中给出的具体型号风机连接螺栓结构件的静强度计算方法示例。此外，本专利技术的用于变桨轴承连接螺栓的静强度计算方法适用于任何类型的风机中的变桨轴承连接螺栓的静强度分析，具有较好的通用性。一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法，具体包括如下步骤：首先将轮毂、变桨轴承导入有限元前处理软件中，清理几何结构细节，简化模型，切割轮毂剩余1/3轮毂，即结构图1中1结构。划分网格。将轮毂结构划分二阶四面体网格，变桨轴承划分六面体网格。叶片根据变桨轴承内圈接触面网格拉伸1.5倍直径的叶片假体，同样也是六面体网格。建立GAP单元(即图2中2结构)连接轴承内外圈结构。建立连接螺栓模型。采用多段梁单元进行建模，螺纹部分按几何长度均分4段，建立四个首尾相接梁单元，螺纹与螺杆过渡段4-5cm建立两个梁单元，剩余螺杆部分均匀划分10段左右，建立10个梁单元。螺纹段采用应力截面积所对应的直径建模，螺杆段采用螺栓的公称直径建模。图3为变桨连接螺栓有限元3D模型，螺纹段每个梁单元上下均用直径5mm左右的梁单元与螺栓孔周围单元绑定，螺栓最上端与孔最上端螺孔绑定。图4为螺栓连接结构示意图，图中4为螺栓有限元模型。约束与载荷建立。图5和图6为1/3轮毂结构约束与变桨轴承约束。图5中4为约束1/3轮毂剖切面X、Y、Z方向的平动与转动自由度，图6中5为约束变桨轴承内齿圈区域在叶根坐标系下的Z向转动约束。载荷边界设置，施加对应螺栓直径的螺栓预紧力，施加在螺杆中段节点单元上。在叶根坐标系的原点建立控制点，然后将控制点与叶片端面进行刚性连接，通过刚性传递载荷，在控制点上施加载荷。提交计算。将基本建模文件输出成.inp格式。利用Matlab将极限载荷表中载荷工况生成各个载荷工况载荷.inp文件。提交计算各载荷工况载荷.inp文件，计算过程中自动调用基本有限元文件。查看计算结果。在Abaqus软件中打开计算结果.odb文件，选择螺栓杆与螺纹过渡部分有限元查看。上面结合实施例对本专利技术的实施方法作了详细说明，但是本专利技术并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利技术宗旨的前提下作出各种变化。本专利技术说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法，具体包括如下步骤：步骤一：结构部件有限元建模；选取1/3轮毂结构、变桨轴承结构、叶片结构进行有限元建模，轮毂结构采用二阶四面体实体单元建模；采用六面体单元进行划分网格；采用只受压不受拉的GAP单元进行连接轴承内外圈模拟滚子特性；叶片采用大于直径1.5倍的六面体单元划分的假体模拟；部件连接，变桨轴承内圈与叶片之间、变桨轴承外圈与轮毂之间采用建立摩擦接触对进行模拟；螺栓建模，风力发电机组变桨连接螺栓采用的是高强普通螺栓，螺栓分两圈，分别用于连接变桨轴承外圈与轮毂结构、变桨轴承内圈和叶片结构；螺栓分为螺纹部分、螺杆部分、螺母部分三部分；螺栓建模采用多段梁单元进行建模，螺纹部分按几何长度均分4段，建立四个首尾相接梁单元，螺纹与螺杆过渡段4‑5cm建立两个梁单元，剩余螺杆部分均匀划分10段，建立10个梁单元；螺纹段采用应力截面积所对应的的直径建模，螺杆段采用螺栓的公称直径建模；螺纹段每个梁单元上下均用直径5mm左右的梁单元与螺栓孔周围单元绑定，螺栓最上端与孔最上端螺孔绑定，模拟螺母拧紧；步骤二：约束边界设置；约束1/3轮毂剖切面X、Y、Z方向的平动与转动自由度，约束变桨轴承内齿圈区域在叶根坐标系下的Z向转动约束；步骤三：载荷边界设置；1/3轮毂与变桨轴承外圈、变桨轴承内圈与叶片之间均通过螺栓进行夹紧，在分析模型中，采用螺栓预紧力进行模拟，施加在螺杆中段节点单元上；在变桨连接螺栓结构的静强度分析中，载荷是通过叶根载荷实现的，在叶根坐标系的原点建立控制点，然后将控制点与叶片端面进行刚性连接，通过刚性传递载荷，在控制点上施加载荷；步骤四：多载荷工况批处理；本模型中将控制点建成set，输出有限元模型作为基本Base文件，另通过Matlab程序建立各个载荷工况文件；这样每次计算提交各个载荷计算文件时，每个载荷工况文件自动调用有限元模型基本文件，实现多载荷工况批处理。...

【技术特征摘要】
1.一种风力发电机组变桨轴承连接螺栓极限强度计算方法，具体包括如下步骤：步骤一：结构部件有限元建模；选取1/3轮毂结构、变桨轴承结构、叶片结构进行有限元建模，轮毂结构采用二阶四面体实体单元建模；采用六面体单元进行划分网格；采用只受压不受拉的GAP单元进行连接轴承内外圈模拟滚子特性；叶片采用大于直径1.5倍的六面体单元划分的假体模拟；部件连接，变桨轴承内圈与叶片之间、变桨轴承外圈与轮毂之间采用建立摩擦接触对进行模拟；螺栓建模，风力发电机组变桨连接螺栓采用的是高强普通螺栓，螺栓分两圈，分别用于连接变桨轴承外圈与轮毂结构、变桨轴承内圈和叶片结构；螺栓分为螺纹部分、螺杆部分、螺母部分三部分；螺栓建模采用多段梁单元进行建模，螺纹部分按几何长度均分4段，建立四个首尾相接梁单元，螺纹与螺杆过渡段4-5cm建立两个梁单元，剩余螺杆部分均匀划分10段，建立10个梁单元；螺纹段采用应力截面积所对应的的直径建模，螺杆段采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：严素欣，邢春雷，苏晓慰，
申请(专利权)人：北京万源工业有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11