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輪轂是葉片和主軸的連接部分，承受著葉片的重力和各種工況下的氣動載荷以及轉矩、軸向力、偏航力矩和俯仰力矩，其結構強度對風力發(fā)電機組的可靠性起著重要作用，因此有必要對其靜結構強度分析進行更深入的研究。
本研究基于有限單元法，使用有限元軟件ANSYS，構建了輪轂的有限元計算模型，進行了多種工況的輪轂結構強度分析，并且根據分析結果驗證了輪轂結構設計的可靠性。
葉素理論和動量理論的綜合使用是致動圓盤理論的擴展應用，既考慮了葉尖損失、葉柵效應、失速修正、間隙修正及偏航角等因數的影響，又考慮了風剪、偏航、風輪的結構參數和風力機安裝參數等，能較精確地計算風輪轉子的氣動性能，因此在風力機設計和氣動計算中得到了廣泛應用。
圖所示為一個葉素上的風速分量，假設該葉素在葉片上處于半徑r的位置，來流風速為U，葉素旋轉角速度為口，引人軸向和切向速度誘導因子a、a'，通過葉素的氣流軸向速度為U(1-a)，在風輪旋轉平面內，該葉素處氣流的切向速度為2r(1+a')，軸向速度和切向速度合成相對速度V，由于風速方向的改變，將導致攻角a改變，定義葉素來流角a+3(3為槳葉安裝角和截面扭角之和）。F是槳葉坐標上的葉素升力和阻力，應用片條理論，考慮葉尖和輪轂損失F，考慮風力機實際工作時的結構參數。
依據標準IEC61400-1制定風力發(fā)電機組的載荷工況，通過載荷計算得到各工況下輪轂的極限載荷及對應的葉根處的載荷，為強度計算獲得可靠的載荷數據。
根據葉根處頻域動載的傅立葉變化，計算得到頻域載荷的主頻比輪轂的主頻低得多，而載荷計算的結果包含了動態(tài)載荷，并且輪轂材料的剛度與葉根處材料的剛度相差較大，所以在輪轂強度計算時可直接施加動載荷的極限值，而無需以動態(tài)載荷譜的形式施加，這樣既可以節(jié)省分析時間，又保證了計算精度。
因輪轂所受載荷由葉片傳到輪轂上，如果直接在輪轂上施加，會影響應力結果的可靠性，故需引人葉片假體，則整個分析模型由4個體構成，3個長1m的葉片假體，1個輪轂實體。通過節(jié)點禍合、導向節(jié)點等操作，有兩種加載方式：①導向節(jié)點與假體外圓面節(jié)點利用梁單元剛性連接，②利用MPC方式施加載荷。采用方式①時，連接單元為Beam188，采用方式②時，連接單元為MPC184。由文獻可知，理論上多點約束連接方式比剛性連接方式計算結果更為精確，經計算分析，方式②較方式①的結果精確，故本研究中出現的計算結果均采用的MPC連接方式。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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