基于有限元的风电机组齿轮箱扭力臂的疲劳寿命分析

1、基于有限元的风电机组齿轮箱扭力臂的疲劳寿命分析论文导读：扭力臂有限元模型的建立。图3SolidWorks导入AWB的专用插件。扭力臂是齿轮箱中的关键部件。对某1.5WM风力发电机组中的扭力臂进行疲劳寿命分析。基于有限元的风电机组齿轮箱扭力臂的疲劳寿命分析。关键词：有限元，AWB，扭力臂，疲劳寿命1 引言齿轮箱用于风力发电领域，工作时承受较大的随机扭转载荷。科技论文，AWB。扭力臂是齿轮箱中的关键部件，一旦失效，会导致整个齿轮箱的失效，所以要在设计阶段确保扭力臂满足国家规定的20年的使用寿命。对于用于兆瓦级风力发电机组的扭力臂来说，其受力情况较为复杂，且长期承受交变应力，按照传统的经验数据能否保

2、证扭力臂在20年的时间内正常工作成为厂家担忧的问题。本文通过有限单元法，根据风力发电机组相关的规定，对某1.5WM风力发电机组中的扭力臂进行疲劳寿命分析，验证该扭力臂的疲劳寿命是否符合要求。2 疲劳分析过程虽然在实际应用中有着多种不同的疲劳分析方法，但任何疲劳分析却都要经过以下通用的步骤： 材料 热处理 试样形式 b (MPa) 不同存活率下的ap、bp p(%) 50 90 95 99 99.9 QT400 正火 圆柱形 484 ap 35.3963 34.0203 33.6302 32.8974 32.0780 bp -11.9209 -11.4576 -11.3264 -11.0800

3、-10.8045 表1 QT400在不同存活率下的文献【2】中推荐存活率应大于97.7%，本文选择QT400的99%存活率下的S-N曲线。一般来说，球墨铸铁的转折点寿命ND为2x106。在双对数坐标系下，S-N曲线包括两局部，转折点左侧为一条斜线，转折点右侧为一条直线式中：j零部件质量等级；j0S-N曲线的质量等级，使用综合S-N曲线，该值可选为1扭力臂最薄处壁厚为120，根据厂家提供的数据，零件质量等级为5级，即j=5。计算得St=0.79、Sd=0.522，SR*St* Sd =0.35。这一数据需要输入至AWB中的Fatigue Strength Factor，具体操作为AWBDSFat

4、igueToolFatigue Strength Factor，如图10所示。5.3疲劳损伤累积规那么工程中常用的疲劳分析方法有三种: 名义应力法、局部应力应变法和损伤容限法。对于本文研究的扭力臂来说，其疲劳寿命分析属于弹性变形居主导地位的高周疲劳寿命进行计算，所以应采用名义应力法。在各种基于名义应力法的疲劳累积损伤规那么中，Miner法那么的应用最为广泛。设材料在某级应力下到达破坏时的应力循环次数为N1、经n1次应力循环而疲劳损伤吸收的净功为W1，根据Miner法那么有：那么在N个应力水平级别下分别对应经过ni次应力循环时，材料疲劳累积损伤为：ni第i级应力水平下经过的应力循环数；Ni第i级

5、应力水平下的到达破坏时的应力循环数。当D值等于1时，认为被评估对象开始破坏。在相关标准中，风力发电机疲劳寿命的分析也是采用Miner法那么，当累积损伤超过1时，就到达了限制状态，所以在使用寿命期内，风力机的累积损伤应小于或等于1，即：式中：ni典型载荷谱包括所有相关载荷情况的第i级载荷的计算疲劳循环次数；Si与第i级载荷计算循环次数相对应的应力或应变，包括平均应力和循环顺序的影响；N疲劳破坏循环次数，它是以应力为自变量的函数如典型S-N曲线；m，n，f分别为相应的材料局部平安系数、破坏后果局部平安系数和载荷平安系数。m，n，f可以在文献【2】中查到其取值、计算的相关内容，对于本文研究的扭力臂来

6、说m取1.1、n取1.15、f取1.0。科技论文，AWB。5.4载荷谱图9 扭矩载荷谱扭力臂所受的各个载荷又分为静载荷和动载荷。我们在进行疲劳寿命计算时需要考虑由于内齿传递来的扭矩的载荷谱。图9是厂家提供的该扭矩的载荷谱，扭力臂在20年的工作时间内需要再循环476570次该载荷谱所代表的时间长度。注意，载荷谱中最大的数值为1，是因为该载荷谱的数值是实时传递的扭矩与满功率状态下传递的扭矩的比值。5.5 疲劳寿命计算图10 疲劳分析的相关参数在进行疲劳分析前，我们需要对前文找到的应力集中处细分网格，并将之前所计算得出的疲劳分析相关数据输入置AWB中，按照AWBDSSolutionFatigueTo

7、ol的步骤，翻开Details of FatigueTool;工具栏，如图10所示。在LoadingType选项中，选择History Date;载荷谱并导入载荷谱，在OptionsAnalysis Type选项中选择Stress Life;应力-寿命，OptionsStressComponent选项中选择EquivalentVon Mises;平均应力选项。由于载荷包括静载荷与随机载荷两种，本文采用非线性计算。设置两个加载环境，环境1中为静载荷，环境2中为随机载荷，之后采用Solution Combination将二者的结果综合成扭力臂的实际受载情况，得出扭力臂在复合载荷下的疲劳寿命。5.6

8、疲劳分析结果平安系数的定义是零件或构件的失效应力与设计应力的比值。扭力臂疲劳寿命的评估标准是看它的平安系数是否大于的相关规定许用的平安系数。 检查和可达性 零件失效导致机组损坏或危机人员平安 零件失效导致机组失效或重大损伤 零件失效导致机组运行中断 定期检测维护， 可达性好 1.15 1.0 0.9 定期检测维护， 可达性差 1.25 1.15 1.0 表2疲劳验证用的局部平安系数M许用平安系数需要考虑m，n，f和M，M是疲劳验证用的局部平安系数，它的取值根据表2。考虑最差的条件定期检测维护，可达性差的条件下，许用平安系数为fxmxnxM1.58。图11扭力臂的平安系数扭力臂上各个位置的平安系数如图11所示，最小的平安系数出现的位置与最小寿命出现的位置一致 ，大小为2.241。平安系数大于1.58，说明扭力臂在设计寿命下是平安的，符合正常运行20年的要求。4 结论与展