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风力发电机组主轴疲劳分析方法的研究

吕杏梅钟杰李秀珍熊维军

(中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部株洲湖南412001)

摘要:主轴是风力发电机组中重要的传力部件,在风机运行时,它承受比较复杂的交变载

荷,因此主轴的疲劳强度直接影响风机运行的可靠性。本文以某机型风力发电机组主轴为例,

使用ABAQUS、Fe-safe软件,结合有限元法,雨流计数法和线性累计损伤准则,采用不同的

预测损伤参量及模型计算主轴的最大损伤值,分析了不同算法的差异性。此研究对风力发电

机组主轴的疲劳设计提供一种较为可靠的依据。

关键字:主轴风力发电机组疲劳强度算法

0引言

主轴是风力发电机组传动链中重要的零部件之一,主轴主要将来自风轮轮毂的旋转机械能传

递给齿轮箱,另外将载荷传递到机舱的固定系统上,因此除了传递扭矩,同时也会承受一定

的弯矩载荷【1】,因此主轴的疲劳破坏属于多轴疲劳。在多轴疲劳强度分析时,目前是将多轴

疲劳损伤等效为单轴损伤,滞后应用单轴疲劳理论解决复杂的多轴疲劳问题【2】。主轴结构失

效经常会对风电机组传动系统乃至整台风机造成很严重的后果。

本文采用fe-safe软件对主轴进行疲劳强度预测。以某机型风力发电机组主轴为例,使用有

限元方法计算主轴在单位载荷作用下的应力分布,并结合载荷谱、材料S-N曲线及

Plamgren-Miner线性累积损伤理论法则,应用不同算法计算主轴的最大损伤值,从而分析不

同方法间的差异。

1疲劳寿命分析理论

疲劳为在某点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动之后形成裂纹或完全断裂的材

料中发生的局部的、永久结构变化的发展过程【3】。在风力发电机组主轴疲劳寿命设计时,其

设计循环次数一般为1E7,设计寿命一般为20年,其实际承受应力小于材料的疲劳极限,

因此在设计过程中采用基于S-N曲线的有限寿命设计方法。

1.1疲劳分析流程

一般基于有限元法计算零部件疲劳寿命的流程如图1。

图1.疲劳寿命计算流程图

1.2S-N曲线

1.2.1基本S-N曲线

当平均应力Sm=0(R=-1)时的S-N曲线,为基本S-N曲线。此曲线一般可以根据材料的抗

拉极限强度及经验公式拟合而成,在应用过程中需考虑平均应力的影响。但其计算速度较快,

误差较大,因此一般应用在主轴的概念设计阶段。

1.2.2多应力比S-N曲线

当应力幅值一定时,应力比R增大时,平均应力也将增大,循环载荷中的拉伸部分也会

增大,这对于裂纹的萌生和扩展均是不利的,会降低零部件的疲劳寿命

【1】。在考虑平均应力

的影响时可以采用插值的方法,因此可拟合多条不同应力比R的S-N曲线,在计算各个循

环的疲劳损伤值采用插值方法如图2。

图2.插值法计算疲劳损伤值方法

1.3平均应力修正方法

主轴实际的承载应力均包含非零的平均应力,目前平均应力的修正方法除插值法外最常用的

有Goodman及Gerber两种。

两种修正方法的Haigh(黑格尔)图:

图3.Haigh图

其中Su:材料极限强度(高强度脆性材料的极限抗拉强度或延性材料的屈服强度),

Sa:应力幅,S-1:R=-1时的疲劳极限。

Goodman修正方法:

SS

a

?m

SS

?1u

?1

此方法在给定寿命下,平均应力与应力幅值间的关系估计偏保守,因此在工程中应用较广泛。

Gerber修正方法:

SS

a?

(m2

)

SS

?1u

?1

此方法对拉伸平均应力修正不保守,因此在应用过程中要谨慎。

1.4通道合并应力的方法

在单个输入载荷的响应下,每个实体单元上节点有六个应力分量,它们是三个轴向应力

和三个剪切应力沿着总体坐标系或单元坐标系的轴。

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x

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y

zy

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xz

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?=?,?=?,?=?(剪力互等定理)

其中

xyyxxzzxyzzy

11

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???x??y??z?V

1

22

11

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2

22

V??2??2??2?2*?????????4*?2??2??2

????xyzxyyzxzxyyzxz

1.4.1绝对值最大主应力(AbsMaxPrincipal)法

?=max(

AMP

?1,?)

2

1.4.2临界平面(CriticalPlane)法

临界平面法【4】认为疲劳裂纹的产生是具有方向性的。当载荷是多轴和非比例时,主应变的

方向和比率随时间变化是可能的。因此需定义一个临界平面损伤参数,搜寻损伤最大的平

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