風(fēng)機(jī)葉片根端連接的有限元分析

3.1  有限元模型

 
圖2  葉片根端連接有限元模型

　　由于葉片根端連接模型、載荷及邊界條件的對(duì)稱性，這里我們?nèi)“雮€(gè)根端連接結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象建立有限元模型如圖2所示。葉片根端通過(guò)T型螺栓與軸承內(nèi)環(huán)螺圈連接，軸承的外環(huán)螺圈施加固定約束。對(duì)每個(gè)T型螺栓施加300kN的預(yù)緊力，葉片上施加極限葉根彎矩2680 kNm及軸向力125kN。同時(shí)在葉片剖面上施加對(duì)稱邊界條件，在葉片根端、T型螺栓、軸承以及軸承內(nèi)滾珠相互之間的接觸面采用接觸單元，選擇合適的網(wǎng)格密度劃分模型，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)控制計(jì)算的收斂性，進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析。
　　3.2  玻璃鋼強(qiáng)度分析
　　由于對(duì)稱性取半個(gè)葉片根端結(jié)構(gòu)作為模型，沿著葉片中心圓周線方向，通過(guò)殼體內(nèi)橫向孔與孔內(nèi)柱狀螺母的擠壓接觸，再由鋼螺柱與軸承的連接，將葉片上的荷載通過(guò)T型螺栓傳遞給軸承。因此葉片根端橫向孔間的玻璃鋼，橫向孔與孔內(nèi)柱狀螺母的擠壓接觸面是發(fā)生應(yīng)力集中的重要部位，是葉片根端強(qiáng)度校核的關(guān)鍵區(qū)域。根據(jù)建立的半個(gè)葉片根端連接結(jié)構(gòu)有限元模型，施加荷載并進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)分析，求解得到葉片根端玻璃鋼的應(yīng)力分布結(jié)果。圖3所示為葉片根端玻璃鋼應(yīng)力云圖，可以看出在遠(yuǎn)離孔邊的葉根玻璃鋼應(yīng)力比較小，數(shù)值一般為30MPa左右。但是靠近孔邊的玻璃鋼應(yīng)力較大，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為163.7MPa，最小應(yīng)力為-140.6MPa。現(xiàn)沿著葉片圓周線將半個(gè)葉片從0到180度劃分，并依次對(duì)橫向孔間葉片及橫向孔與柱狀螺母接觸面正應(yīng)力求解。如圖4所示，沿著圓周線方向橫向孔間葉片正應(yīng)力基本成線性變化，從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，最大拉壓力為150MPa，最小壓應(yīng)力為-50MPa。而橫向孔與柱狀螺母接觸面正應(yīng)力為壓應(yīng)力，沿圓周線方向基本保持不變，約為-100MPa左右。由此可見(jiàn)，葉片在風(fēng)載荷作用下，最大拉壓力發(fā)生在葉片根端橫向孔間的玻璃鋼上，最大壓應(yīng)力發(fā)生在葉根橫向孔與柱狀螺母接觸面處，并且強(qiáng)度滿足玻璃鋼材料許用應(yīng)力要求。
 

　　3.3  T型螺栓強(qiáng)度分析
　　對(duì)于T型螺栓連接結(jié)構(gòu)，葉根失效多發(fā)生于螺栓而非玻璃鋼部分，因此葉根連接螺栓的強(qiáng)度分析也十分重要[5,8]。半葉片根端結(jié)構(gòu)含有27個(gè)螺栓，其應(yīng)力結(jié)果如圖5所示，鋼螺柱的應(yīng)力為拉應(yīng)力，數(shù)值范圍為658—809MPa，滿足T型螺栓材料42CrMo鋼的許用應(yīng)力要求。圖6為對(duì)應(yīng)的鋼螺柱軸力圖，其軸力數(shù)值從345kN減小到255kN，基本成線性變化。

　　4  結(jié)  論
　　本文采用ANSYS軟件對(duì)葉片根端連接部分進(jìn)行有限元分析，確定了葉根玻璃鋼部分發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域并進(jìn)行了強(qiáng)度分析，滿足玻璃鋼材料的許用應(yīng)力要求。同時(shí)對(duì)T型連接螺栓進(jìn)行強(qiáng)度分析，確定了螺栓應(yīng)力的變化范圍，滿足螺栓材料42 CrMo鋼的許用應(yīng)力要求，為葉片根端連接的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及選材提供有效的依據(jù)及指導(dǎo)。