风力发电机组在20年寿命期内可能遭遇各种外部条件与工况,机械结构仿真计算的目的就是为了检验校核风机是否能够在这些工况下保证自身的安全性,并评估风机各个部件的危险程度和设计裕度。
结构计算分为刚度、强度和稳定性计算。刚度是指结构在负载时的位移与变形(例如塔架净空、齿轮箱支撑等);强度是指结构的承载能力(材料的应力破坏,包括极限与疲劳);稳定性则顾名思义的指结构是否会发生失稳现象(屈曲)。针对以上不同的方面,结构计算方法可分为:有限元方法(用于复杂结构部件,例如轮毂、主机架)与工程方法(例如塔架的屈曲)。结构计算就是要校核在各种极限与疲劳工况下的位移与应力,并且结合载荷计算结果进行全方位的校查,确定各个关键部件的危险程度和设计裕度。
我们的结构仿真计算严格按照行业相关规范与标准(GB、EUROCODE 3和DIN 18800)进行,同时参考GL规范,充分保证计算的有效性与合理性。有着丰富工程计算经验的结构工程师不仅可以为您提供准确高效的计算与报告,而且可以为您的风机提供相应的检测与优化建议,为您的风机在20年内屹立不倒做出贡献。
结构校核中需要根据风力发电机组的具体机械结构形式、材料特性和三维几何模型,考虑各个部件之间的线性或非线性力学关系,明确其力学模型,再通过仿真程序建立关键部件的有限元模型。其中非线性力学关系是指接触、轴承径向约束作用等,尤其是在计算部件连接中,这些因素的影响是十分巨大的。因此关键部件的连接我们均采用有限元方法进行计算,以求最为精确的计算结果。

由于载荷计算中已经考虑了动力学因子与载荷分项系数,因此结构校核过程中直接根据载荷仿真计算结果,在有限元模型中进行极限载荷加载,并求解该工况下结构的位移与应力。
疲劳计算要充分考虑各个载荷分量之间关系,能够确定“主载荷”的部件很少,因此我们在计算部件疲劳寿命时,均要考虑多种载荷分量的时序作用。最终计算求得载荷与应力之间的转换矩阵。同时,对于复杂结构由于疲劳应力方向的不确定性,要求我们计算多个应力平面的累计损伤,以确保该位置的寿命满足设计要求。

极限状态计算结果后处理是指根据极限状态计算所得部件的应力与位移,以及部件的设计要求与材料的许用应力,评估该部件是否满足极限条件的安全要求。
疲劳寿命计算结果后处理,首先根据部件的材料确定该材料的S-N曲线,然后根据GL规范进行相应的修正,明确材料的疲劳应力当量,根据载荷时序谱和载荷-应力转换矩阵,计算应力时序谱,进行雨流统计,根据Goodman修正和miner理论,最终获得该部件20年的疲劳损伤。损伤小于1则满足其寿命设计要求。

以下为我们可以校核的主要部件列表
| 关键部件 | 关键连接 |
|---|---|
| 导流罩 | 导流罩与轮毂连接 |
| 轮毂 | 变桨连接 |
| 主轴 | 轮毂与主轴连接 |
| 轴承座 | 轴承座与机架连接 |
| 机架 | 齿轮箱与机架连接,前、后机架之间的连接,发电机与机架连接 |
| 机舱罩 | 机舱罩与机架连接 |
| 塔架 | 偏航连接,各法兰段连接,塔架与基础环连接 |
| 基础环 |