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輪轂是葉片和主軸的連接部分，承受著葉片的重力和各種工況下的氣動載荷以及轉(zhuǎn)矩、軸向力、偏航力矩和俯仰力矩，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性起著重要作用，因此有必要對其靜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析進(jìn)行更深入的研究。
本研究基于有限單元法，使用有限元軟件ANSYS，構(gòu)建了輪轂的有限元計(jì)算模型，進(jìn)行了多種工況的輪轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并且根據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。
葉素理論和動量理論的綜合使用是致動圓盤理論的擴(kuò)展應(yīng)用，既考慮了葉尖損失、葉柵效應(yīng)、失速修正、間隙修正及偏航角等因數(shù)的影響，又考慮了風(fēng)剪、偏航、風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)力機(jī)安裝參數(shù)等，能較精確地計(jì)算風(fēng)輪轉(zhuǎn)子的氣動性能，因此在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和氣動計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。
圖所示為一個(gè)葉素上的風(fēng)速分量，假設(shè)該葉素在葉片上處于半徑r的位置，來流風(fēng)速為U，葉素旋轉(zhuǎn)角速度為口，引人軸向和切向速度誘導(dǎo)因子a、a'，通過葉素的氣流軸向速度為U(1-a)，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，該葉素處氣流的切向速度為2r(1+a')，軸向速度和切向速度合成相對速度V，由于風(fēng)速方向的改變，將導(dǎo)致攻角a改變，定義葉素來流角a+3(3為槳葉安裝角和截面扭角之和）。F是槳葉坐標(biāo)上的葉素升力和阻力，應(yīng)用片條理論，考慮葉尖和輪轂損失F，考慮風(fēng)力機(jī)實(shí)際工作時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-1制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷工況，通過載荷計(jì)算得到各工況下輪轂的極限載荷及對應(yīng)的葉根處的載荷，為強(qiáng)度計(jì)算獲得可靠的載荷數(shù)據(jù)。
根據(jù)葉根處頻域動載的傅立葉變化，計(jì)算得到頻域載荷的主頻比輪轂的主頻低得多，而載荷計(jì)算的結(jié)果包含了動態(tài)載荷，并且輪轂材料的剛度與葉根處材料的剛度相差較大，所以在輪轂強(qiáng)度計(jì)算時(shí)可直接施加動載荷的極限值，而無需以動態(tài)載荷譜的形式施加，這樣既可以節(jié)省分析時(shí)間，又保證了計(jì)算精度。
因輪轂所受載荷由葉片傳到輪轂上，如果直接在輪轂上施加，會影響應(yīng)力結(jié)果的可靠性，故需引人葉片假體，則整個(gè)分析模型由4個(gè)體構(gòu)成，3個(gè)長1m的葉片假體，1個(gè)輪轂實(shí)體。通過節(jié)點(diǎn)禍合、導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)等操作，有兩種加載方式：①導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)與假體外圓面節(jié)點(diǎn)利用梁單元剛性連接，②利用MPC方式施加載荷。采用方式①時(shí)，連接單元為Beam188，采用方式②時(shí)，連接單元為MPC184。由文獻(xiàn)可知，理論上多點(diǎn)約束連接方式比剛性連接方式計(jì)算結(jié)果更為精確，經(jīng)計(jì)算分析，方式②較方式①的結(jié)果精確，故本研究中出現(xiàn)的計(jì)算結(jié)果均采用的MPC連接方式。
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