基于有限元的風(fēng)電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析

1、基于有限元的風(fēng)電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分基于有限元的風(fēng)電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析析論文導(dǎo)讀：扭力臂有限元模型的建立。圖 3SolidWorks 導(dǎo)入 AWB 的專用插件。扭力臂是齒輪箱中的關(guān)鍵部件。對某 1.5WM 風(fēng)力發(fā)電機組中的扭力臂進行疲勞壽命分析?；谟邢拊娘L(fēng)電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析。關(guān)鍵詞：有限元，AWB，扭力臂，疲勞壽命1 引言齒輪箱用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，工作時承受較大的隨機扭轉(zhuǎn)載荷。科技論文，AWB。扭力臂是齒輪箱中的關(guān)鍵部件，一旦失效，會導(dǎo)致整個齒輪箱的失效，所以要在設(shè)計階段確保扭力臂滿足國家規(guī)定的 20 年的使用壽命。對于用于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的扭力臂來說，其

2、受力情況較為復(fù)雜，且長期承受交變應(yīng)力，按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)能否保證扭力臂在 20 年的時間內(nèi)正常工作成為廠家擔(dān)心的問題。本文通過有限單元法，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組相關(guān)的規(guī)定，對某 1.5WM 風(fēng)力發(fā)電機組中的扭力臂進行疲勞壽命分析，驗證該扭力臂的疲勞壽命是否符合要求。2 疲勞分析過程雖然在實際應(yīng)用中有著多種不同的疲勞分析方法，但任何疲勞分析卻都要經(jīng)過以下通用的步驟：（1）對零件進行結(jié)構(gòu)分析，尋找零件的薄弱部位；（2）獲取材料的疲勞性能，根據(jù)具體情況分析出零件的疲勞性能， （3）處理載荷，生成載荷譜；（4）根據(jù)實際零件的可能的疲勞破壞形式，采用一定的疲勞損傷累積規(guī)則，得到零件的疲勞壽命。圖 1 扭力臂疲

3、勞分析流程圖根據(jù)以上的步驟，對于本文分析的扭力臂的具體流程如圖 1 所示。3 扭力臂有限元模型的建立3.1 三維實體模型的建立本文選用的有限元分析軟件是 ANSYS-Workbench，它是一個集成化的仿真平臺，給 ANSYS 的求解提供了強大的功能。圖 2 扭力臂的三維實體模型圖 3 SolidWorks 導(dǎo)入 AWB 的專用插件本文采用三維實體造型軟件 SolidWorks 生成扭力臂的實體模型，再將其導(dǎo)入至 AWB 中。AWB 對于包括 SolidWorks 在內(nèi)的主流的 CAD 軟件集成有專門的插件，避免了以往通過 IGES 格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)而造成的單元丟失等問題，保證了最好的 CAE 結(jié)

4、果?？萍颊撐?，AWB。如圖 3 所示，在 SolidWorks 中生成扭力臂的實體模型后，可以通過插件把實體模型直接導(dǎo)入到 AWE 中。3.2 有限元模型的建立零件的材料參數(shù)在 AWBSimulationgEngineering Data 下輸入。本文中，扭力臂的材料采用 QT400，查找文獻1可查知 QT400 的抗拉強度為 400MPa，屈服強度為 250MPa，密度為 7300kg/m3，彈性模量為 1.55GP，泊松比為 0.27。由于扭力臂的尺寸較大，且靜力學(xué)分析主要是為了找到扭力臂應(yīng)力最大的位置，目前采用 AWB 默認的網(wǎng)格劃分即可。AWB 軟件中，默認采用 10 節(jié)點的四面體單元

5、和 20 節(jié)點的六面體單元劃分單元。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖 5 所示，共有20589 個單元，35433 個節(jié)點。圖 4 材料參數(shù)輸入圖 5 網(wǎng)格劃分情況4 靜力學(xué)分析本文僅需要得到扭力臂薄弱部位，所以只需計算應(yīng)力分析。4.1 受力與約束扭力臂受力比較簡單，主要承受承受自身重量、整個齒輪箱的重量和內(nèi)齒輪傳遞來的扭矩。本文對扭力臂的受力做出了適當(dāng)?shù)暮喕簝?nèi)齒輪傳遞來的扭矩平均加載至用于與內(nèi)齒輪聯(lián)結(jié)的各個螺紋孔上（由圖 6 中的 Moment 設(shè)置），齒輪箱的重量同樣由各個螺紋孔均勻承擔(dān)(由圖 6 中的 Force 設(shè)置)，同時要考慮扭力臂自身的重量，設(shè)置 Standard Earth Gravity

6、（標準重力加速度）；固定在機艙上的兩孔設(shè)置為 Fixed Support（約束其六個自由度），具體的受力與約束情況如圖 6 所示?？萍颊撐?，AWB。圖 6 扭力臂的受力和約束4.2 靜力學(xué)分析結(jié)果扭力臂的應(yīng)力云圖如圖 7 所示，等效應(yīng)力（von-Mises）的最大值為63MPa，出現(xiàn)在過度圓角上，該位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，符合力學(xué)原理。扭力臂的最大應(yīng)力遠小于許用應(yīng)力 250MPa，符合要求?？萍颊撐模珹WB。圖 7 扭力臂的應(yīng)力云圖5 疲勞分析5.1 材料的 P-S-N 曲線通過相關(guān)的材料手冊，可以查到扭力臂所用材料 QT400 的 P-S-N 曲線，在指定存活率下的疲勞壽命，如表 1 所示

7、，計算公式見公式 1。LgNp=ap+ bplg（1）材料熱處理試樣形式b(MPa)不同存活率下的 ap、bpp(%)5090959999.9QT400正火 圓柱形 484ap35.3963 34.0203 33.6302 32.897432.0780-bp11.9209 11.4576 11.3264 11.0800 10.8045表 1 QT400 在不同存活率下的文獻2中推薦存活率應(yīng)大于 97.7%，本文選擇 QT400 的 99%存活率下的 S-N 曲線。一般來說，球墨鑄鐵的轉(zhuǎn)折點壽命 ND 為 2106。在雙對數(shù)坐標系下，S-N 曲線包括兩部分，轉(zhuǎn)折點左側(cè)為一條斜線，轉(zhuǎn)折點右側(cè)為一條

8、直線（準確來說是一個與左側(cè)不同斜率的斜線，但往往簡化為直線）。但根據(jù)文獻2中的規(guī)定，對于球墨鑄鐵，當(dāng)壽命 NiND 時，應(yīng)將此 S-N 曲線按恒定斜率延伸，所以本文材料的 P-S-N 曲線如圖 8 所示。QT400 的 P-S-N 曲線需要輸入至 AWBSimulationgEngineeringDataAlternatingStress 中，以便軟件在計算疲勞壽命時引用該曲線。圖 8 QT400 的 99%存活率下的 P-S-N 曲線5.2 零件的 P-S-N 曲線通常我們通過材料手冊所獲得的 S-N 曲線大多是無缺口的標準試樣的試驗結(jié)果，所以僅僅知道材料的 P-S-N 曲線是不夠的，還要考

9、慮零件的實際情況對P-S-N 曲線的影響。在對具體零件進行疲勞分析時，需要考慮以下四個因素的影響：缺口形狀效應(yīng)、零件尺寸效應(yīng)、表面狀況的影響和平均應(yīng)力的影響?？萍颊撐?，AWB。根據(jù)文獻2中的規(guī)定，在風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱的設(shè)計中，可以由以下方法計算出以上各個因素對疲勞壽命的影響：（1）對于應(yīng)力比 R0 的 S-N 曲線應(yīng)縮減，縮減系數(shù) SR 可取 0.85。（2）大壁厚 t（mm）的影響由系數(shù) St 給出：（2）（3）對制造缺陷（氣孔、縮孔、夾渣）的影響，采用下列系數(shù)加以考慮：（3）式中：j零部件質(zhì)量等級；j0S-N 曲線的質(zhì)量等級，使用綜合 S-N 曲線，該值可選為 1扭力臂最薄處壁厚為 120，

10、根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，零件質(zhì)量等級為 5 級，即 j=5。計算得 St=0.79、Sd=0.522，SR*St* Sd =0.35。這一數(shù)據(jù)需要輸入至 AWB中的 Fatigue Strength Factor，具體操作為 AWBDSFatigueToolFatigueStrength Factor，如圖 10 所示。5.3 疲勞損傷累積規(guī)則工程中常用的疲勞分析方法有三種: 名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和損傷容限法。對于本文研究的扭力臂來說，其疲勞壽命分析屬于彈性變形居主導(dǎo)地位的高周疲勞壽命進行計算，所以應(yīng)采用名義應(yīng)力法。在各種基于名義應(yīng)力法的疲勞累積損傷規(guī)則中，Miner 法則的應(yīng)用最為廣泛。設(shè)

11、材料在某級應(yīng)力下達到破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 N1、經(jīng) n1 次應(yīng)力循環(huán)而疲勞損傷吸收的凈功為 W1，根據(jù) Miner 法則有：（4）則在 N 個應(yīng)力水平級別下分別對應(yīng)經(jīng)過 ni 次應(yīng)力循環(huán)時，材料疲勞累積損傷為：（5）ni第 i 級應(yīng)力水平下經(jīng)過的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；Ni第 i 級應(yīng)力水平下的達到破壞時的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。當(dāng) D 值等于 1 時，認為被評估對象開始破壞。在相關(guān)標準中，風(fēng)力發(fā)電機疲勞壽命的分析也是采用 Miner 法則，當(dāng)累積損傷超過 1 時，就達到了限制狀態(tài)，所以在使用壽命期內(nèi)，風(fēng)力機的累積損傷應(yīng)小于或等于 1，即：（6）式中：ni典型載荷譜（包括所有相關(guān)載荷情況）的第 i 級載荷的計算疲勞

12、循環(huán)次數(shù)；Si與第 i 級載荷計算循環(huán)次數(shù)相對應(yīng)的應(yīng)力（或應(yīng)變），包括平均應(yīng)力和循環(huán)順序的影響；N疲勞破壞循環(huán)次數(shù)，它是以應(yīng)力為自變量的函數(shù)（如典型 S-N 曲線）；m，n，f分別為相應(yīng)的材料局部安全系數(shù)、破壞后果局部安全系數(shù)和載荷安全系數(shù)。m，n，f 可以在文獻2中查到其取值、計算的相關(guān)內(nèi)容，對于本文研究的扭力臂來說m 取 1.1、n 取 1.15、f 取 1.0。科技論文，AWB。5.4 載荷譜圖 9 扭矩載荷譜扭力臂所受的各個載荷又分為靜載荷和動載荷。我們在進行疲勞壽命計算時需要考慮由于內(nèi)齒傳遞來的扭矩的載荷譜。圖 9 是廠家提供的該扭矩的載荷譜，扭力臂在 20 年的工作時間內(nèi)需要再循環(huán)

13、 476570 次該載荷譜所代表的時間長度。注意，載荷譜中最大的數(shù)值為 1，是因為該載荷譜的數(shù)值是實時傳遞的扭矩與滿功率狀態(tài)下傳遞的扭矩的比值。5.5 疲勞壽命計算圖 10 疲勞分析的相關(guān)參數(shù)在進行疲勞分析前，我們需要對前文找到的應(yīng)力集中處細分網(wǎng)格，并將之前所計算得出的疲勞分析相關(guān)數(shù)據(jù)輸入置 AWB 中，按照AWBDSSolutionFatigueTool 的步驟，打開 Details of “FatigueTool”工具欄，如圖 10 所示。在 LoadingType 選項中，選擇“History Date”（載荷譜）并導(dǎo)入載荷譜，在 OptionsAnalysis Type 選項中選擇“S

14、tress Life”（應(yīng)力-壽命），OptionsStressComponent 選項中選擇“Equivalent（Von Mises）”（平均應(yīng)力）選項。由于載荷包括靜載荷與隨機載荷兩種，本文采用非線性計算。設(shè)置兩個加載環(huán)境，環(huán)境 1 中為靜載荷，環(huán)境 2 中為隨機載荷，之后采用 SolutionCombination 將二者的結(jié)果綜合成扭力臂的實際受載情況，得出扭力臂在復(fù)合載荷下的疲勞壽命。5.6 疲勞分析結(jié)果安全系數(shù)的定義是零件或構(gòu)件的失效應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力的比值。扭力臂疲勞壽命的評估標準是看它的安全系數(shù)是否大于的相關(guān)規(guī)定許用的安全系數(shù)。零件失效導(dǎo)致機組損壞或危機人員安零件失效導(dǎo)致機組失效

15、或重大損傷零件失效導(dǎo)致機組運行中斷檢查和可達性全定期檢測維護，可達性好1.151.00.9定期檢測維護，可達性差1.251.151.0表 2 疲勞驗證用的局部安全系數(shù)M許用安全系數(shù)需要考慮m，n，f 和M，M 是疲勞驗證用的局部安全系數(shù)，它的取值根據(jù)表 2?？紤]最差的條件定期檢測維護，可達性差的條件下，許用安全系數(shù)為fmnM1.58。圖 11 扭力臂的安全系數(shù)扭力臂上各個位置的安全系數(shù)如圖 11 所示，最小的安全系數(shù)出現(xiàn)的位置與最小壽命出現(xiàn)的位置一致 ，大小為 2.241。安全系數(shù)大于 1.58，說明扭力臂在設(shè)計壽命下是安全的，符合正常運行 20 年的要求。4 結(jié)論與展望本文通過有限元法對某發(fā)

16、電機齒輪箱的扭力臂進行了疲勞壽命分析。通過疲勞壽命分析，找出了扭力臂上各個部分安全系數(shù)的不同分布，證明了其疲勞壽命符合相關(guān)規(guī)定。本文的方法也可以用于其它零件的開發(fā)階段，有利于提高產(chǎn)品設(shè)計的一次通過率，降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。參考文獻1 科標工作室.國內(nèi)外金屬材料手冊.南京:江蘇科技出版社,20052 中國船級社.風(fēng)力發(fā)電機組規(guī)范.北京:人民交通出版社,20033 趙少汴,王忠保.抗疲勞設(shè)計方法與數(shù)據(jù)M.北京:機械工業(yè)出版社,19944 徐瀾.疲勞強度M.北京:高等教育出版社,19885 王彥偉,羅繼偉,葉軍,陳立平.基于有限元的疲勞分析方法及實踐.機械設(shè)計與制造,2008,1,22-24在

17、 LoadingType 選項中，選擇“History Date”（載荷譜）并導(dǎo)入載荷譜，在 OptionsAnalysis Type 選項中選擇“Stress Life”（應(yīng)力-壽命），OptionsStressComponent 選項中選擇“Equivalent（Von Mises）”（平均應(yīng)力）選項。由于載荷包括靜載荷與隨機載荷兩種，本文采用非線性計算。設(shè)置兩個加載環(huán)境，環(huán)境 1 中為靜載荷，環(huán)境 2 中為隨機載荷，之后采用 SolutionCombination 將二者的結(jié)果綜合成扭力臂的實際受載情況，得出扭力臂在復(fù)合載荷下的疲勞壽命。5.6 疲勞分析結(jié)果安全系數(shù)的定義是零件或構(gòu)件的失

18、效應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力的比值。扭力臂疲勞壽命的評估標準是看它的安全系數(shù)是否大于的相關(guān)規(guī)定許用的安全系數(shù)。檢查和可達性零件失效導(dǎo)致機組損壞或危機人員安全零件失效導(dǎo)致機組失效或重大損傷零件失效導(dǎo)致機組運行中斷定期檢測維護，可達性好1.151.00.9定期檢測維護，可達性差1.251.151.0表 2 疲勞驗證用的局部安全系數(shù)M許用安全系數(shù)需要考慮m，n，f 和M，M 是疲勞驗證用的局部安全系數(shù)，它的取值根據(jù)表 2?？紤]最差的條件定期檢測維護，可達性差的條件下，許用安全系數(shù)為fmnM1.58。圖 11 扭力臂的安全系數(shù)扭力臂上各個位置的安全系數(shù)如圖 11 所示，最小的安全系數(shù)出現(xiàn)的位置與最小壽命出現(xiàn)的位置一致 ，大小為 2.241。安全系數(shù)大于 1.58，說明扭力臂在設(shè)計壽命下是安全的，符合正常運行 20 年的要求。4 結(jié)論與展望本文通過有限元法對某發(fā)電機齒輪箱的扭力臂進行