風機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稱性，這里我們取半個根端連接結構作為研究對象建立有限元模型如圖2所示。葉片根端通過T型螺栓與軸承內環螺圈連接，軸承的外環螺圈施加固定約束。對每個T型螺栓施加300kN的預緊力，葉片上施加極限葉根彎矩2680 kNm及軸向力125kN。同時在葉片剖面上施加對稱邊界條件，在葉片根端、T型螺栓、軸承以及軸承內滾珠相互之間的接觸面采用接觸單元，選擇合適的網格密度劃分模型，設置時間步長控制計算的收斂性，進行非線性結構分析。
　　3.2  玻璃鋼強度分析
　　由于對稱性取半個葉片根端結構作為模型，沿著葉片中心圓周線方向，通過殼體內橫向孔與孔內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，橫向孔與孔內柱狀螺母的擠壓接觸面是發生應力集中的重要部位，是葉片根端強度校核的關鍵區域。根據建立的半個葉片根端連接結構有限元模型，施加荷載并進行非線性結構分析，求解得到葉片根端玻璃鋼的應力分布結果。圖3所示為葉片根端玻璃鋼應力云圖，可以看出在遠離孔邊的葉根玻璃鋼應力比較小，數值一般為30MPa左右。但是靠近孔邊的玻璃鋼應力較大，產生了應力集中現象，最大應力為163.7MPa，最小應力為-140.6MPa。現沿著葉片圓周線將半個葉片從0到180度劃分，并依次對橫向孔間葉片及橫向孔與柱狀螺母接觸面正應力求解。如圖4所示，沿著圓周線方向橫向孔間葉片正應力基本成線性變化，從拉應力變為壓應力，最大拉壓力為150MPa，最小壓應力為-50MPa。而橫向孔與柱狀螺母接觸面正應力為壓應力，沿圓周線方向基本保持不變，約為-100MPa左右。由此可見，葉片在風載荷作用下，最大拉壓力發生在葉片根端橫向孔間的玻璃鋼上，最大壓應力發生在葉根橫向孔與柱狀螺母接觸面處，并且強度滿足玻璃鋼材料許用應力要求。
 

　　3.3  T型螺栓強度分析
　　對于T型螺栓連接結構，葉根失效多發生于螺栓而非玻璃鋼部分，因此葉根連接螺栓的強度分析也十分重要[5,8]。半葉片根端結構含有27個螺栓，其應力結果如圖5所示，鋼螺柱的應力為拉應力，數值范圍為658—809MPa，滿足T型螺栓材料42CrMo鋼的許用應力要求。圖6為對應的鋼螺柱軸力圖，其軸力數值從345kN減小到255kN，基本成線性變化。

　　4  結  論
　　本文采用ANSYS軟件對葉片根端連接部分進行有限元分析，確定了葉根玻璃鋼部分發生應力集中現象的區域并進行了強度分析，滿足玻璃鋼材料的許用應力要求。同時對T型連接螺栓進行強度分析，確定了螺栓應力的變化范圍，滿足螺栓材料42 CrMo鋼的許用應力要求，為葉片根端連接的設計、優化及選材提供有效的依據及指導。