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隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率等級(jí)在不斷加大，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了2.5，3和5MW等大型風(fēng)機(jī)。隨著風(fēng)機(jī)功率等級(jí)加大，風(fēng)機(jī)內(nèi)部的一些焊接零部件已經(jīng)被鑄件所替代。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部關(guān)鍵的鑄造零件，包括軸承座、輪轂和機(jī)艙底座等。這些鑄造關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度，直接關(guān)系到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的質(zhì)量安全和使用壽命，所以要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)它們進(jìn)行有限元分析計(jì)算。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部鑄件的分析計(jì)算，主要包括極限強(qiáng)度和疲勞壽命計(jì)算。
鑄件的極限強(qiáng)度計(jì)算采用有限元法進(jìn)行。以輪轂為例介紹鑄件的極限強(qiáng)度計(jì)算。文中使用的三維軟件為Pro/E5.0，在建模前需要對(duì)輪轂的外部接口零部件和受力有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)。與輪轂連接的主要零部件是變漿軸承、變漿驅(qū)動(dòng)、葉片、楔形盤和主軸。在建立幾何模型的過(guò)程中，需對(duì)強(qiáng)度影響很小的特征，如小的倒角、凸臺(tái)等進(jìn)行簡(jiǎn)化。建立的幾何模型如圖所示。將幾何模型轉(zhuǎn)化為STP或其他中間格式的文件后，導(dǎo)入專業(yè)的有限元前處理軟件HyperWorks，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以建立分析所需的有限元模型。
為了便于載荷的施加，建立了葉片的假體，根據(jù)圣維南原理，葉片假體的長(zhǎng)度保留大于葉根直徑的一倍，并且分別建立了主軸的假體和變槳軸承的假體。楔形盤位于葉片假體和變槳軸承之間，予以簡(jiǎn)化，不建立假體。簡(jiǎn)化掉葉片假體與變槳軸承假體、變槳軸承假體與輪轂、輪轂與主軸假體之間的螺栓連接，在有限元模型中通過(guò)設(shè)置Tie聯(lián)結(jié)來(lái)藕合各部件。為了建立約束邊界條件，在主軸后端面建立一個(gè)柱坐標(biāo)系，柱坐標(biāo)系的方向與GL規(guī)范中的輪轂坐標(biāo)系x軸重合。在該柱坐標(biāo)系下，約束主軸軸承段的徑向和軸向自由度，約束主軸尾端面的周向自由度。施加載荷和約束后的模型如圖所示。然后將有限元模型使用Abaqus進(jìn)行計(jì)算，并使用其后處理模塊查看分析結(jié)果。
根據(jù)GL規(guī)范要求對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于機(jī)架的靜強(qiáng)度分析，根據(jù)GL規(guī)范5.3.2.1節(jié)，取安全系數(shù)為1.1。當(dāng)安全裕度大于0時(shí)，機(jī)架將處于安全狀態(tài)。將葉片根部坐標(biāo)系下48個(gè)極限工況計(jì)算得到的輪轂極限的應(yīng)力值代入安全裕度公式，當(dāng)其數(shù)值均大于0時(shí)表明其極限強(qiáng)度滿足要求。在某極限載荷工況下輪轂上的應(yīng)力和位移云圖。對(duì)軸承座、機(jī)艙底座等鑄件的極限強(qiáng)度采用同樣的方法，但需要注意的是模型的建立、邊界條件的設(shè)定要和實(shí)際情況一致。軸承座和機(jī)艙底座根據(jù)GL規(guī)范，要選擇靜止輪轂坐標(biāo)系下的16個(gè)極限載荷工況進(jìn)行極限強(qiáng)度校核計(jì)算。
CAE疲勞分析的基本原理是：根據(jù)有限元分析中所獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，結(jié)合材料的疲勞壽命性能，應(yīng)用疲勞理論，計(jì)算出零部件的疲勞壽命。所以對(duì)鑄件疲勞壽命的計(jì)算分為兩個(gè)部分，即單位載荷下鑄件的有限元應(yīng)力分析計(jì)算和根據(jù)鑄件所承受載荷的疲勞載荷譜和單位載荷下應(yīng)力值進(jìn)行疲勞損傷值的雨流統(tǒng)計(jì)計(jì)算。對(duì)鑄件單位載荷下應(yīng)力分析計(jì)算和鑄件極限強(qiáng)度分析計(jì)算不同的是：(1)在鑄件的表面鋪設(shè)一層很薄的殼單元，以便于表面應(yīng)力結(jié)果值的提取；(2)將對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系下的極限載荷改為單位載荷。
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