张秀岩
中国大唐集团新能源股份有限公司 北京
摘要：随着我国风力发电市场规模的不断扩大，风力发电机组的研发也开始更加注重细节，尤其是机组受力强度分析。目前，在风力发电机组的机械零部件开发过程中，除了轮毂、主轴、轴承座、机舱及塔架等大部件需要做完整的强度分析，它们之间的高强度螺栓设计也是其中十分重要的组成部分，其设计是否合理将直接影响整个风力发电机组的运行及寿命。这些螺栓不仅要承受弯矩，还要承受扭矩，受力情况十分复杂。采用一般材料力学的方法，无法进行较为精确的计算，本文介绍了一些高强度螺栓的强度失效原因，并采用大型有限元通用软件abaqus，结合目前整个风力发电行业中比较认可的高强螺栓强度计算标准VDI_2230-2003来计算风力发电机组中的叶根连接螺栓在各个工况下的极限受力情况和疲劳损伤情况。
关键词：高强螺栓；极限强度；有限元；疲劳失效
引言：现阶段随着环境污染和全球温室效应问题的日渐突出，人们对以新能源替代传统意义上的石化能源的需求越来越迫切。风能作为一种无污染、可持续发展的能源利用方式，且风能作为太阳能的一种转化形式从某种意义上来说是取之不尽用之不竭的。我国的风资源据统计储量也十分客观，我国的风力发电事业相对国外来说起步较晚，随着我国风力发电装机容量的增大和风力发电机组运行时间的增长，风机运行中发生故障的现象也频繁出现。在风机运行过程中，风机关键部件之间的连接螺栓发生失效的现象时有发生，本文主要目的是为了通过有限元模拟风机运行过程中的叶片与轮毂相连接螺栓的极限受力情况以确定螺栓在极限情况下的受力状态，进而指导风机部件之间连接螺栓的设计。
一、风机螺栓失效形式
1.材质缺陷
风力发电机组日常运行条件比较恶劣，有的机组在-30℃的环境下运行，有的机组在40℃以上的环境中运行，有的机组运行过程中风速短时变化较大，而在机组安装初期，风机厂家只按照标准设计选取符合工作要求的类型、尺寸和性能等级的螺栓而没有考虑具体工况下对其材质、加工工艺和热处理等的要求，但螺栓的材质、加工工艺和热处理状态正是影响其力学性能、质量的重要因素。因此材质缺陷是导致螺栓出现失效的重要因素之一。
2.过载失效
螺栓的过载失效是指在工作过程中发生突然瞬间的断裂，这种失效预先并无明显征兆，所以其危害严重。
由螺栓的结构形式所决定，螺栓上的螺纹实际上就同缺口一样，当其与螺母配合时，应力集中系数进一步提高。通过压缩螺母传递载荷的螺栓，应力最集中是在靠近螺母支承面的第一扣螺纹处。因此，头部和杆部交接处的应力相对集中，螺栓的过载失效而导致其断裂多在这两个部位产生。
3.高强度螺栓的应力腐蚀
（1）应力腐蚀发生的条件
必须有拉伸应力存在。拉伸应力越大，则断裂所需要的时间越短。断裂所需要的应力一般低于材料的屈服强度。螺栓在工作中所承受的拉伸力以及在装配中的预紧力，都是导致发生应力腐蚀的条件。
（2）必须有对材质敏感的腐蚀介质存在
当应力与腐蚀介质形成一个系统时，材料才能发生应力腐蚀开裂的缺陷。
4.疲劳性能失效
影响高强度螺栓疲劳性能的因素有：螺帽结构的影响、 螺纹牙沟形状和半径尺寸的影响、螺栓表面粗糙度的影响、滚制螺纹工序的影响。
二、有限元分析特点及用法
有限单元法是20世纪50年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的有一种数值解法。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题进行有限元分析后再求解。有限元是一种方法，把一个大块离散成很多小块，也就是说当面对一个大块时，很难用一组方程来描述，通过有限元这种方法转化成很多的小块，进而每个小块都可以用方程来表示，最终建立起来一个庞大的方程组，而有限元软件就是解这些方程组。怎么合理地建立这些方程组，计算出来的解的判断、分析，都是力学概念的体现。
有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义，根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域；第二步：求解域离散化，将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。求解域的离散化是有限元法的核心技术之一；第三步：确定状态变量及控制方法，一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式；第四步：单元推导，对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）；第五步：总装求解，将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处；第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。
以下用实例对风机叶根连接螺栓的强度通过abaqus有限元模拟仿真方法进行分析。
三、风机有限元模型的建立
该风机模型主要有主轴、轮毂、变桨轴承、叶片、叶根法兰以及叶片连接螺栓几部分组成，其中每只叶片通过54跟M30的螺栓和变桨轴承连接在一起。本模型的主要目的是分析叶片连接螺栓，所以在模型中只建立了一只叶片连接所用的螺栓组，具体模型如图1、2所示：
螺栓受力结果及分析：
通过分析螺栓在表3的极限工况下的受力情况见图6，通过图可知在该工况下螺栓的最大应力为768.9MPa小于螺栓的屈服极限，故该螺栓的设计满足风机的运行强度要求。
参考文献：
[1].Roller Bearing Slewing Ring，08/09/2006Rollix Defontaine Renault，France，Drwaing no.12-1900-08A。
[2]Roark's Formulas for Stress and Strain-7th ed。
[3].VDI 2230 Part1 。
[4]Germanischer Lloyd，Rules and regulations，IV-Non-marine Technology，Part1-Wind Energy，Regulation for the certification of the Wind Energy Conversion Systems.Chapter 1-11.2003 Edition 1 August 2003。
[5].Abaqus 帮助文档。
论文作者:张秀岩
论文发表刊物:《基层建设》2015年25期供稿
论文发表时间:2016/3/25
标签：螺栓论文; 应力论文; 有限元论文; 风机论文; 方程组论文; 单元论文; 强度论文; 《基层建设》2015年25期供稿论文;