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基于Abaqus风力发电机偏航联接螺栓有限元分析

钟杰，吕杏梅，巫发明

（中车株洲电力机车研究所有限公司株洲湖南412001）

摘要：基于有限元软件对某MW级风力发电机偏航系统联接螺栓进行了静强度和疲劳强度分析。建立了

整个偏航系统内外圈共179个预紧螺栓的有限元模型；根据GL规范对螺栓进行静强度及应用疲劳载荷谱、

雨流计算、线性累积损伤理论（简称Miner理论）等方法的疲劳强度计算，分析了联接面接触状态及轴承

滚子模拟刚度对螺栓受力的影响，对风电系统联接螺栓强度的精确计算有积极的指导意义。

关键词：风力发电机；偏航联接螺栓；有限元；静强度；疲劳强度

中图分类号：TM351文献标识码：A

StrengthanalysisofboltconnectiononMWwindturbine

yawsystem

ZhongJie，LvXingmei,WuFaming

(CSRZHUZHOUINSTITUTECO.,LTD,ZHUZHOU,HUNAN,412001,China)

Abstract：BasedonFEAsoftware,theintensityanalysisofboltconnectiononMWwindturbineyawsystem

wascarriedout.TheentireFEAanalysismodelwasestablishedwith179boltsofin-and-outonbearing;

AccordingtoGLregulation,thestaticandfatiguestrengthwerecalculated,inwhichtheloadingspectrum、

rain-flowcountingtogetherwithMinertheorywereapplied;also,thestateofconnectedareaandstiffofrollerof

bearingwereanalyzedtostressofbolt,theFEAconstructionandanalysisareusefulandpositivetoprecisedesign

ofboltinyawsystem.

Keywords：windturbine;boltconnectionofyaw;FEA;staticstress;fatigue

前言

MW级风力发电机偏航系统普遍采用轴承回转支撑的形式，机舱与偏航轴承内圈连为一体，

而塔筒则与偏航轴承外圈连为一体。工作过程中，偏航驱动装置通过驱动轴承内圈和机舱的

转动，达到对风的目的。偏航系统联接包括偏航轴承内圈与机舱底座的联接和偏航轴承外圈

与塔筒顶部法兰的联接，由于既要承担机舱的重量，又要承受外部载荷倾覆力矩作用，所以

联接螺栓的强度及其重要。目前国内外对联接螺栓的计算因为计算量大、难收敛等原因，大

多采用部分模型，没有考虑整体性；此外对于螺栓疲劳损伤的计算也都采用简化方法，没有

基于风机20年实际工况载荷谱进行精确计算[1]；同时对于实际轴承滚子刚度和模拟滚子的间

隙单元刚度差异也研究相对较少。针对上述问题，本文对偏航系统联接螺栓的计算方法进行

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研究，并以某MW级风力发电机偏航系统联接螺栓为例，建立了整个偏航系统内外圈共179个预

紧螺栓的有限元模型，并采用疲劳载荷谱、雨流计算、线性累积损伤理论（简称Miner理论）

等精确计算螺栓疲劳损伤，同时对轴承滚子模拟刚度与实际轴承滚子刚度进行验证。

一、有限元强度分析模型的建立

（一）有限元模型网格划分

根据偏航系统结构几何模型进行网格划分，得到螺栓极限强度分析整体有限元模型如图

1所示；其中，轴承滚子采用GAP单元模拟，如图2、3所示，滚子刚度根据罗氏手册进行

计算并修正有限元模型中GAP单元刚度；螺栓采用梁单元模拟，图4～6为螺栓有限元模型

图,其中A、B点分别为螺帽与螺杆连接处及螺杆与螺纹连接处，此处应力值较大，所以在该

处进行网格细化，并在后处理中提取该处轴向应力进行计算。

图1偏航系统联接螺栓有限元模型截面图图2轴承内外圈之间GAP单元

图3模拟单个滚子的GAP单元图4螺栓联接截面图

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图5轴承内外圈螺栓分布图图6单个螺栓网格模型

（二）边界条件

1约束边界条件

位移边界条件：在全局坐标系下，约束塔筒底面所