專利名稱：一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法
技術領域：
本發明應用于風力發電技術領域，具體涉及一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，具體應用于風力發電機組中除塔筒連接螺栓外其它大型結構件的連接螺栓強度的計算。
背景技術：
螺栓是風力發電機組中葉片、輪轂、主軸、機架、軸承等重要的連接部件。在設計的過程中，因強度設計不準確，造成整機運行安全性得不到保障，很容易出現一些事故。近幾年螺栓失效的問題頻出，除了因其本身加工質量問題，也存在其設計不合理的因素在內。在以往對螺栓強度設計過程中，有的根據VDI 2230標準，此標準主要通過計算出最危險螺栓在外載荷作用下所受的軸向力和剪切力，結合其它的幾何參數，得出滿足螺栓強度時在螺栓上所施加的載荷值。當結構比較復雜時，使用工程算法計算螺栓所受的軸向力和剪切力作為VDI 2230標準的輸入條件計算得到的精確性就很難保證。有的也是使用有限元方法計算螺栓的強度，但是在計算過程中未考慮到螺栓預緊力的施加方式，另外在對螺栓強度計算時，螺栓經常使用實體單元模擬，這樣無形中增加模型的節點和單元數目，從而增加一定的計算成本。并且在螺栓強度評價時主要考慮螺栓的軸向應力，而對因彎曲而使螺栓承受的彎曲正應力均未考慮，這樣計算出的螺栓應力會偏危險，存在一定的設計風險。

發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法。該發明通過將VDI2230標準與有限元分析相結合，使用有限元方法建立計算螺栓強度的分析模型，施加螺栓預緊力及外載荷邊界及約束邊界，求解得到螺栓所受綜合應力。本發明的螺栓強度計算方法可應用于風力發電機組中除塔筒連接螺栓外其它所有的強度設計過程中。為了實現上述發明目的，采用的技術方案如下一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，通過有限元軟件為平臺實施建模，進行計算，得到螺栓的受力情況，包括如下步驟I)使用三維軟件建立螺栓和由該螺栓連接的部件及關聯部件的幾何模型，進行裝配后轉化為網格軟件所識別的格式，導入網格軟件中對所有部件進行網格劃分；2)對有限元網格模型施加相應的載荷邊界及約束邊界條件，載荷邊界主要包括螺栓預緊力和其它部件的慣性載荷；3)有限元分析軟件根據模型求解得出螺栓的受力情況。所述高強度螺栓采用三維梁單元進行模擬。所述由高強度螺栓連接的部件及關聯部件在網格劃分中均使用實體網格。所述螺栓預緊力模擬方式為在螺栓頭處建立一節點，施加節點力，之后將此節點與螺桿處的某一單元關聯。
所述螺栓預緊力通過扭力扳手施加時，螺栓承受載荷還包括扭轉應力，此應力根據VDI2230標準獲得。螺栓螺紋與螺紋孔嚙合處、螺桿與螺栓頭的連接處采用多點約束的方式進行模擬。本發明的優點在于對風力發電機組高強度螺栓強度的計算中，將VDI 2230標準和有限元分析方法結合，完善了細節方面的考慮，此方法不受限于結構的復雜程度，同時可以全面的考慮影響螺栓強度的因素，較為準確的表達螺栓的實際受力情況。該計算方法簡單實用，提高了風力發電機組高強度螺栓設計的可靠性。
具體實施例方式下面是對本發明作進一步的說明。本實例以風力發電機組中前、后機架連接高強度螺栓(M30)強度的計算為例，詳細講述螺栓強度的具體計算過程如下首先，建立有限元分析模型。使用三維軟件建立被連接件前、后機架的幾何模型，進行裝配后并轉化為網格軟件所識別的格式，導入網格軟件中對所有部件進行網格劃分。被連接件均為較大的金屬結構，因此在網格劃分中均使用實體網格；為了減少網格數量，螺栓采用三維梁單元進行模擬，在螺栓螺紋與螺紋孔嚙合處、螺桿與螺栓頭的連接處采用多點約束的方式進行模擬。之后，對有限元分析模型施加相應的載荷邊界及約束邊界條件。螺栓強度分析中的載荷邊界主要包括螺栓預緊力和在塔筒頂部坐標系下整個機艙的慣性載荷。螺栓預緊力的模擬方式為將螺栓螺桿部分采用三維梁單元，并在螺栓頭處建立一節點，施加節點力，此力的大小與螺栓最小預緊力值同等(本實例中M30的螺栓，最小預緊力為273KN)，之后將此節點與螺桿處的某一單元關聯。整個機艙的慣性載荷的模擬方式在整個模型中施加機艙點頭慣性載荷、滾動慣性載荷及三個平動方向的慣性載荷。約束邊界主要為在前機架底部施加全自由度約束。最后，將建立正確的有限元模型提交有限元分析軟件中進行求解。本實施例所述的前、后機架連接高強度螺栓(M30)強度的計算中，采用本發明所述方法，得出的螺栓受力情況如下面幾種表格所示。表I為在施加螺栓最大預緊力時，螺栓所受的軸向應力。表2采用扭力扳手施加預緊力時螺栓所承受的扭轉應力。螺栓的預緊力可以通過拉伸器施加，也可以通過扭力扳手施加。采用扭力扳手間接施加螺栓預緊力時，軸向預緊力由預緊力矩與螺栓直徑、扭力系數間接獲得，在分析中只需要將該間接獲得的預緊力施加到螺栓上面模擬即可。螺紋孔與螺紋配合處會產生扭轉應力，此應力根據VDI2230標準計算得到。如螺栓預緊力的施加采用拉伸器，此扭轉應力將不予考慮。表3為螺栓所承受的綜合應力。某一極限工況下分析結果中挑選出受力較大的螺栓的各個應力分量，包括螺栓在預緊力作用下的軸向應力、在外載作用下軸向應力的增加量及預緊力施加方式不同所產生的扭轉應力等，根據表格中公式計算得到螺栓承受的綜合應力。根據此綜合應力值及螺栓的屈服強度，評判螺栓的強度是否滿足要求。在本實施例中根據表中的計算結果可知，螺栓的強度安全因子為14%> 0，因此滿足螺栓的強度設計要求。表I
權利要求
1.一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，通過有限元軟件為平臺實施建模，進行計算，得到螺栓的受力情況，包括如下步驟 1)使用三維軟件建立螺栓和由該螺栓連接的部件及關聯部件的幾何模型，進行裝配后轉化為網格軟件所識別的格式，導入網格軟件中對所有部件進行網格劃分； 2)對有限元網格模型施加相應的載荷邊界及約束邊界條件，載荷邊界主要包括螺栓預緊力和其它部件的慣性載荷； 3)有限元分析軟件根據模型求解得出螺栓的受力情況。
2.根據權利要求I所述一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，其特征在于所述高強度螺栓采用三維梁單元進行模擬。
3.根據權利要求I所述一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，其特征在于所述由高強度螺栓連接的部件及關聯部件在網格劃分中均使用實體網格。
4.根據權利要求I所述一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，其特征在于所述螺栓預緊力模擬方式為在螺栓頭處建立一節點，施加節點力，之后將此節點與螺桿處的某一單元關聯。
5.根據權利要求Γ4任一項所述一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，其特征在于所述螺栓預緊力通過扭力扳手施加時，螺栓承受載荷還包括扭轉應力，此應力根據VDI2230標準獲得。
6.根據權利要求f4任一項所述一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，其特征在于螺栓螺紋與螺紋孔嚙合處、螺桿與螺栓頭的連接處采用多點約束的方式進行模擬。
全文摘要
一種風力發電機組高強度螺栓強度的計算方法，本發明通過將VDI2230標準與有限元分析相結合，使用有限元分析建模，設定邊界條件及求解得到螺栓在外載作用下的應力增加量，并通過VDI2230標準考慮螺栓預緊力施加方式對其受力的影響，考慮兩方面的因素后得到螺栓的極限強度。建模過程中螺桿部分使用三維梁單元進行模擬，螺栓螺紋部分與螺孔嚙合、螺栓頭部與螺桿部分使用多節點約束的方式模擬受力情況。本發明的較為完善的考慮了螺栓的綜合受力情況，對螺栓進行了合理的模擬，可以廣泛應用于風力發電機組中除塔筒連接螺栓外的所有高強度螺栓強度校核中，為高強度螺栓的設計提供了一種可靠的依據。
文檔編號G06F17/50GK102930085SQ20121039734
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者呂杏梅, 趙萍, 鐘杰 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司