本發(fā)明涉及一種風(fēng)機(jī)總體模型的建模及仿真方法，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前對(duì)風(fēng)機(jī)各部件進(jìn)行極限和疲勞計(jì)算時(shí)，針對(duì)不同的部件往往需要建立不同的有限元模型，這使得計(jì)算量增大且重復(fù)建模；此外由于部件間的差異，在計(jì)算時(shí)載荷路徑往往不完整，這使得最終的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不同。以往的模擬模型較為簡(jiǎn)單，沒有考慮偏航軸承和齒輪箱的影響，而僅僅將塔頂載荷施加在主機(jī)架上，這一方面容易引起應(yīng)力集中，另一方面也不符合載荷的傳遞路徑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)機(jī)總體模型的建模方法，以解決目前風(fēng)機(jī)所建模型無法反映真實(shí)載荷傳遞路徑的問題，同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種風(fēng)機(jī)總體模型的仿真方法，以解決風(fēng)機(jī)總體模型中相應(yīng)部件強(qiáng)度性能計(jì)算性能差的問題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供一種風(fēng)機(jī)總體模型的建模方法，該建模方法包括以下步驟：

1)建立包含有與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型，該模型中的相關(guān)所有部件包括輪轂、主軸、鎖緊盤、主軸承、齒輪箱箱體、彈性支撐、主機(jī)架、后機(jī)架、偏航齒輪箱、偏航軸承、偏航剎車盤、塔頂法蘭、偏航剎車鉗和塔筒；

2)將所建立的風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件，對(duì)模型中的各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配，建立有限元模型，并通過有限元軟件設(shè)定模型中各部件的類型和材料屬性；

3)將各部件之間按照綁定接觸進(jìn)行連接。

進(jìn)一步地，所建立的有限元模型還包括對(duì)發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜的模擬，所述發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜采用Mass21單元來模擬。

進(jìn)一步地，所建立的有限元模型還包括對(duì)發(fā)電機(jī)彈性支撐的模擬，所述發(fā)電機(jī)彈性支撐采用3個(gè)方向的Combine14單元來模擬，彈性支撐在不同方向上的剛度系數(shù)通過關(guān)鍵字設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述的偏航齒輪箱與偏航軸承之間通過Link10單元來模擬，偏航軸承滾珠使用Link10單元來模擬，主軸承滾珠使用Link8單元來模擬，Link10和Link8單元的截面屬性根據(jù)偏航軸承和主軸承滾珠的剛度計(jì)算，并按照滾珠數(shù)目設(shè)定單元數(shù)目，根據(jù)偏航軸承的受力特性，通過關(guān)鍵字設(shè)定Link10單元只受壓不受拉。

進(jìn)一步地，所述輪轂中心與輪轂之間利用Beam4單元載荷傘模擬，輪轂中心載荷通過載荷傘傳遞到輪轂。

本發(fā)明還提供了一種風(fēng)機(jī)總體模型的仿真方法，該仿真方法包括以下步驟：

A.對(duì)所建立的風(fēng)機(jī)有限元模型施加載荷和邊界約束條件；

B.設(shè)定單位工況，將上述模型帶入設(shè)定的單位工況進(jìn)行仿真計(jì)算；

所述步驟A中的風(fēng)機(jī)有限元模型包含有與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型，是將所建立的風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件，并對(duì)各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配得到，所述模型中相關(guān)所有部件包括輪轂、主軸、鎖緊盤、主軸承、齒輪箱箱體、彈性支撐、主機(jī)架、后機(jī)架、偏航齒輪箱、偏航軸承、偏航剎車盤、塔頂法蘭、偏航剎車鉗和塔筒。

進(jìn)一步地，所述的邊界約束條件為塔底全約束。

進(jìn)一步地，所述的載荷為單位載荷，載荷的傳遞是通過在輪轂中心建立節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)上施加單位載荷，使用Beam4單元載荷傘將該輪轂中心與輪轂3大面連接。

進(jìn)一步地，所建立的有限元模型還包括對(duì)發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜的模擬，所述發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜采用Mass21單元來模擬。

進(jìn)一步地，所建立的有限元模型還包括對(duì)發(fā)電機(jī)彈性支撐的模擬，所述發(fā)電機(jī)彈性支撐采用3個(gè)方向的Combine14單元來模擬，彈性支撐在不同方向上的剛度系數(shù)通過關(guān)鍵字設(shè)置。

本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明首先建立包含有與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型；然后將所建立的風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件，對(duì)模型中的各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配，并通過有限元軟件模擬各部件，建立相應(yīng)的有限元模型。本發(fā)明采用總體建模的思想，根據(jù)載荷傳遞路徑，將與載荷傳遞相關(guān)的部件均考慮在模型中，由于模型完整，提高了計(jì)算風(fēng)機(jī)總體模型中相應(yīng)部件強(qiáng)度性能的精準(zhǔn)性。

附圖說明

圖1是總體模型示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中主軸承模型示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中偏航軸承模型示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中載荷傘部分模型示意圖；

圖中：輪轂1、主軸2、鎖緊盤3、主軸承4、齒輪箱箱體5、彈性支撐6、主機(jī)架7、后機(jī)架8、偏航齒輪箱9、偏航軸承10、偏航剎車盤11、塔頂法蘭12、偏航剎車鉗13、塔筒14、主軸承滾珠15、偏航軸承滾珠16、發(fā)電機(jī)17、機(jī)艙柜18、發(fā)電機(jī)彈性支撐19、載荷傘20。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明一種風(fēng)機(jī)總體模型建模方法的實(shí)施例。

本發(fā)明采用總體建模的思想，根據(jù)載荷傳遞路徑，將與載荷傳遞相關(guān)的部件均考慮在模型中，利用通用CAD軟件和有限元軟件進(jìn)行建模，定義各個(gè)部件的材料屬性和部件間的連接關(guān)系。該方法的具體實(shí)施過程如下：

1.建立包含與載荷傳遞相關(guān)所有部件的風(fēng)機(jī)總體三維模型。

本發(fā)明以現(xiàn)有的CAD軟件為平臺(tái)建立風(fēng)機(jī)總體三維模型，該三維模型包括包含與載荷傳遞相關(guān)所有部件，具體為：輪轂1、主軸2、鎖緊盤3、主軸承4、齒輪箱箱體5、彈性支撐6、主機(jī)架7、后機(jī)架8、偏航齒輪箱9、偏航軸承10、偏航剎車盤11、塔頂法蘭12、偏航剎車鉗13和塔筒14。

2.將所建立的上述風(fēng)機(jī)總體三維模型導(dǎo)入有限元軟件，對(duì)模型中的各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配，建立有限元模型。

本實(shí)施例在有限元軟件里對(duì)上述部件分別劃分網(wǎng)格，在不影響整體剛度分布的前提下，刪除了模型的倒角、圓角及小孔特征。

3.設(shè)定模型中各部件的類型和材料屬性。

本實(shí)施例通過有限元軟件中施加相應(yīng)的材料屬性，其中輪轂1、齒輪箱箱體5、主機(jī)架7和偏航剎車盤11采用QT350，主軸2、鎖緊盤3、主軸承4、后機(jī)架8、偏航齒輪箱9、偏航軸承10、塔頂法蘭12、偏航剎車鉗13、塔筒14采用鋼，彈性支撐6采用各向異性材料。

4.設(shè)定各部件的關(guān)系。

輪轂1與主軸2之間、主軸2與鎖緊盤3之間、主軸2與主軸承4之間、主軸承4與齒輪箱箱體5之間、彈性支承6與齒輪箱箱體5之間、彈性支承6與主機(jī)架7之間、主機(jī)架7和后機(jī)架8之間、主機(jī)架7和偏航齒輪箱9之間、主機(jī)架7和偏航軸承10之間、偏航軸承10與偏航剎車盤11之間、偏航剎車盤11與塔頂法蘭12之間、偏航剎車盤11與剎車鉗13之間、塔頂法蘭12與塔筒14之間采用綁定進(jìn)行處理。

偏航齒輪箱9與偏航軸承10之間通過Link10單元來模擬，偏航軸承滾珠16使用Link10單元來模擬，主軸承滾珠15使用Link8單元來模擬，Link10和Link8單元的截面尺寸根據(jù)滾珠的實(shí)際數(shù)量、模擬數(shù)量和滾珠的實(shí)際直徑而定，偏航軸承的受力特性通過關(guān)鍵字設(shè)定Link10單元只受壓不受拉。輪轂中心與輪轂1之間利用Beam4單元載荷傘模擬，輪轂中心載荷通過載荷傘20傳遞到輪轂1。

本發(fā)明增加了主軸承、偏航軸承和齒輪箱的模擬，輪轂中心載荷通過主軸承傳遞給齒輪箱，齒輪箱通過彈性支承傳遞給主機(jī)架，主機(jī)架通過螺栓傳遞給偏航軸承內(nèi)圈，偏航軸承內(nèi)圈傳遞給外圈，再傳遞給塔筒，構(gòu)成一個(gè)完整的載荷傳遞路徑，這個(gè)傳遞路徑與實(shí)際的載荷傳遞是相符的，本發(fā)明考慮到偏航軸承的非線性，建立了完整的載荷傳遞路徑，計(jì)算結(jié)果也更加準(zhǔn)確。本發(fā)明通過在偏航齒輪箱和偏航軸承外圈之間建立受壓不受拉的Link10單元實(shí)現(xiàn)了偏航力矩的傳遞。

由于發(fā)電機(jī)和機(jī)艙柜的質(zhì)量對(duì)極限計(jì)算和疲勞計(jì)算均有一定的影響，在上述建模的基礎(chǔ)上，本發(fā)明為了進(jìn)一步提高模型精確性，增加了發(fā)電機(jī)17、機(jī)艙柜18和發(fā)電機(jī)彈性支撐19的模擬，其中發(fā)電機(jī)17和機(jī)艙柜18通過Mass21單元來模擬，發(fā)電機(jī)彈性支撐19通過Combine14單元來模擬，發(fā)電機(jī)17與彈性支撐6之間通過Pipe16單元來模擬。

通過上述建模過程，得到的風(fēng)機(jī)總體模型如圖1所示，主軸承模型如圖2所示，偏航軸承如圖3所示，載荷傘部分如圖4所示。

本發(fā)明一種風(fēng)機(jī)總體模型仿真方法的實(shí)施例

本發(fā)明的仿真方法針對(duì)采用上述實(shí)施例中所建模得到的風(fēng)機(jī)總體模型，具體的仿真過程如下。

1.對(duì)所建立的風(fēng)機(jī)有限元模型施加載荷和邊界約束條件。

本實(shí)施例所針對(duì)的風(fēng)機(jī)有限元模型如圖1所示，具體的建模過程已在建模方法的實(shí)施例中進(jìn)行了詳細(xì)說明，這里不再贅述。邊界約束條件為對(duì)塔底進(jìn)行全約束；所施加的載荷可為18種單位載荷，載荷的傳遞是通過在輪轂中心建立節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)上施加單位載荷，使用Beam4單元載荷傘將該中心與輪轂3大面連接。

2.設(shè)定單位工況，將上述模型帶入設(shè)定的單位工況進(jìn)行仿真計(jì)算；

本實(shí)施例定義18種單位工況，對(duì)這18種單位工況進(jìn)行計(jì)算，單位工況結(jié)果就是相應(yīng)部件的極限計(jì)算和疲勞計(jì)算的基礎(chǔ)，具體的疲勞計(jì)算和極限計(jì)算采用的是常規(guī)技術(shù)，這里不再詳述。

本發(fā)明采用總體建模的思想，根據(jù)載荷傳遞路徑，將與載荷傳遞相關(guān)的部件均考慮在模型中，由于模型完整，有利于精準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)機(jī)總體模型中相應(yīng)部件的的強(qiáng)度性能，且可同時(shí)計(jì)算多個(gè)工況，有利于節(jié)省時(shí)間、節(jié)約成本，非常適于大范圍推廣。