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主機(jī)架是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵和承載最復(fù)雜的部件之一，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越點(diǎn)性能是保證風(fēng)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
隨著計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析技術(shù)日臻成熟和成功應(yīng)用，極大改變傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法。運(yùn)用MSC.MARC有限元分析軟件，針對(duì)某MW級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度、模態(tài)、以及在極限工況下的疲勞壽命分析，研究將對(duì)國(guó)產(chǎn)化大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自主設(shè)計(jì)開發(fā)工作起到重要的理論探索和指導(dǎo)作用，從而為提高我國(guó)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備技術(shù)水平，降低風(fēng)電發(fā)電成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)有化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主機(jī)架具有較為復(fù)雜的三維幾何形態(tài)。其主要結(jié)構(gòu)包括發(fā)電機(jī)定子、主機(jī)架、輔機(jī)架、偏航軸承、剎車盤、塔頂法蘭和塔筒，如圖所示。主機(jī)架所用的材料特性為屈服強(qiáng)220MPa，彈性模量E=1.69e5MPa，泊松比P=0.28，密度P=7.1e3kg/mm3。
在MSC.Mentat2005r2中建立的MW級(jí)主機(jī)架的有限元模型，如圖所示。模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體7號(hào)單元?jiǎng)澐郑瑔卧叽鐬?0mm。主機(jī)架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，重點(diǎn)關(guān)注主機(jī)架的整體靜強(qiáng)度，在不影響分析結(jié)果的前提下，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，故不考慮主機(jī)架和發(fā)電機(jī)定子、主機(jī)架和偏航軸承內(nèi)圈、偏航軸承外圈和剎車盤及塔頂法蘭之間的聯(lián)接螺栓，將各部件通過合并節(jié)點(diǎn)的方式粘合;非偏航狀態(tài)下，和主機(jī)架相連接的剎車器咬住剎車盤來實(shí)現(xiàn)剎車，因此將剎車器和剎車盤通過合并節(jié)點(diǎn)的方式設(shè)置為粘合，并將一些不影響整體分析的小圓角和小倒角進(jìn)行了特性簡(jiǎn)化。軸承中滾子只承受壓力，不承受拉力，在Marc的單元庫(kù)中的Gap單元的特性是軸向僅受壓不受拉，所以用Gap單元來模擬滾動(dòng)體，保持內(nèi)外圈之間力的傳遞，并不考慮滾珠的變形。
在計(jì)算極限強(qiáng)度時(shí)，選取了4種設(shè)計(jì)情況：風(fēng)力機(jī)停車或怠速運(yùn)行、停車時(shí)突遇部件功能失效等、正常發(fā)電、正常發(fā)電時(shí)突遇電網(wǎng)失效，共16種工況。其中風(fēng)力停機(jī)狀態(tài)下的工況有4種，正常發(fā)電狀態(tài)下的工況有12種。對(duì)應(yīng)的局部安全系數(shù)，具體工況說明見GL規(guī)范。所計(jì)算得出的極限載荷，如表所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒底部為固定端，故約束塔筒底部6個(gè)方向的自由度。
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