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主機架是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組中最關(guān)鍵和承載最復(fù)雜的部件之一，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越點性能是保證風(fēng)電機組正常穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，也是風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)強度分析和設(shè)計的重點和難點。
隨著計算機及計算技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析技術(shù)日臻成熟和成功應(yīng)用，極大改變傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法。運用MSC.MARC有限元分析軟件，針對某MW級永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組主機架結(jié)構(gòu)進行靜強度、模態(tài)、以及在極限工況下的疲勞壽命分析，研究將對國產(chǎn)化大型風(fēng)力發(fā)電機組自主設(shè)計開發(fā)工作起到重要的理論探索和指導(dǎo)作用，從而為提高我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)水平，降低風(fēng)電發(fā)電成本，提高市場競爭能力，實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國有化風(fēng)力發(fā)電機組的產(chǎn)業(yè)化奠定堅實的基礎(chǔ)。
永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的主機架具有較為復(fù)雜的三維幾何形態(tài)。其主要結(jié)構(gòu)包括發(fā)電機定子、主機架、輔機架、偏航軸承、剎車盤、塔頂法蘭和塔筒，如圖所示。主機架所用的材料特性為屈服強220MPa，彈性模量E=1.69e5MPa，泊松比P=0.28，密度P=7.1e3kg/mm3。
在MSC.Mentat2005r2中建立的MW級主機架的有限元模型，如圖所示。模型采用8節(jié)點六面體7號單元劃分，單元尺寸為30mm。主機架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，重點關(guān)注主機架的整體靜強度，在不影響分析結(jié)果的前提下，對實體模型進行了適當(dāng)?shù)暮喕幚恚什豢紤]主機架和發(fā)電機定子、主機架和偏航軸承內(nèi)圈、偏航軸承外圈和剎車盤及塔頂法蘭之間的聯(lián)接螺栓，將各部件通過合并節(jié)點的方式粘合;非偏航狀態(tài)下，和主機架相連接的剎車器咬住剎車盤來實現(xiàn)剎車，因此將剎車器和剎車盤通過合并節(jié)點的方式設(shè)置為粘合，并將一些不影響整體分析的小圓角和小倒角進行了特性簡化。軸承中滾子只承受壓力，不承受拉力，在Marc的單元庫中的Gap單元的特性是軸向僅受壓不受拉，所以用Gap單元來模擬滾動體，保持內(nèi)外圈之間力的傳遞，并不考慮滾珠的變形。
在計算極限強度時，選取了4種設(shè)計情況：風(fēng)力機停車或怠速運行、停車時突遇部件功能失效等、正常發(fā)電、正常發(fā)電時突遇電網(wǎng)失效，共16種工況。其中風(fēng)力停機狀態(tài)下的工況有4種，正常發(fā)電狀態(tài)下的工況有12種。對應(yīng)的局部安全系數(shù)，具體工況說明見GL規(guī)范。所計算得出的極限載荷，如表所示。風(fēng)力發(fā)電機塔筒底部為固定端，故約束塔筒底部6個方向的自由度。
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