风力发电机轮毂加工V型架强度分析和改进

宋世平，吴会成，刘大维

(1.青岛大学机电工程学院，山东 青岛 266071；2.山东力丰重型机床有限公司，山东 滨州 251700)



风力发电机轮毂加工V型架强度分析和改进

宋世平1，吴会成2，刘大维1

(1.青岛大学机电工程学院，山东 青岛 266071；2.山东力丰重型机床有限公司，山东 滨州 251700)

利用HyperWorks有限元分析软件建立某风力发电机轮毂加工V型架有限元分析模型，并对V型架进行静态强度分析，发现该V型架倾斜工字梁与底层工字梁连接处的结构设计不合理，并通过增加加强筋和工艺孔的方法进行了改进.经强度校核和验证，轮毂V型架的最大应力由改进前的261.2MPa变为改进后的209.0MPa，比改进前减小了20%，改进后的V型架能够满足使用条件.

V型架；强度分析；结构改进；HyperWorks

近年随着对节能和环保的重视，我国大力发展新生能源，风力发电是国家重点支持的产业.轮毂是风力发电机的重要组成部分，而风机叶片、变浆轴承、主轴等就是安装在风力发电机轮毂上.风机叶片连接在轮毂的叶桨面上，叶桨面的加工精度直接影响风力发电机的使用性能和寿命.轮毂叶桨面进行加工时会将轮毂放在加工V型架上，轮毂加工V型架的使用性能将影响轮毂叶桨面的加工精度，因此轮毂加工V型架的强度必须要满足使用要求.由于传统的计算方法不能得出受力、变形等全面而精确的结果，难于实现优化设计[1]，因此，有限元分析不仅是现代强度设计方法的核心，也成为CAD/CAM/CAE等现代设计方法中不可分割的一部分[2-8].本文以某公司用于加工轮毂叶桨面的V型架为例，运用有限元技术对其进行强度分析，并对其现有的V型架进行结构改进和强度校核，为V型架下一步的结构改进和优化提供依据.

1 轮毂加工V型架结构有限元模型的建立

1.1 轮毂加工V型架结构特性

图1为某公司用于加工风力发电机轮毂的V型架结构简图，图2为V型架实物图.V型架主要由2个底层工字钢(长度2 600mm，宽度200mm)、4个倾斜工字钢(边长分别为1 900mm和2 000mm，宽度200mm)、4个三角形支撑板(700mm×1 550mm×1 800mm)、20个加强筋等通过焊接形式组成；V型架的高度为1 900mm，宽度为1 300mm.倾斜工字钢上安装的木板是为了防止轮毂在V型架上由于磕碰而造成其加工面的损坏.

1.2 轮毂加工V型架有限元模型的建立

轮毂加工V型架有限元计算模型的网格划分是利用HyperWorks软件进行的，对V型架进行必要的几何清理，抽取中面后，采用边长为10mm的四边形和三角形板壳单元(shell)进行划分；构件之间的焊接关系采用刚性单元(RBE2)进行模拟.整个轮毂加工V型架的有限元模型由141 164个网格单元、140 241个节点组成，如图3所示.轮毂加工V型架的材料为Q235A，弹性模量E=0.2TPa，密度7.9×103kg/m3，泊松比0.28，屈服应力σs=235MPa，最小抗拉强度375MPa，最大抗拉强度500MPa.

1.3 边界条件和载荷处理

轮毂加工V型架底层工字梁下翼面与地面接触，因此约束限制底层工字梁下翼面X、Y、Z方向的平动自由度和绕X、Y、Z方向的转动自由度.

由于轮毂质量为9t，在加工过程中，钻床在轮毂上加工螺纹孔时对V型架施加的压力远小于轮毂自身重力，因此轮毂加工V型架主要承受轮毂自身的重力，在有限元分析过程中，忽略钻床施加的压力.V型架之间的角度为60°，通过测量轮毂与V型架的作用面积S=6.8×10-3m2，经力学合力分解计算后轮毂与V型架接触处的压强为7.5MPa.

2 有限元计算结果及分析

轮毂加工V型架整体应力云图如图4所示.V型架最大应力发生在倾斜工字钢与底层工字钢焊接连接处，其数值为261.2MPa，大于材料Q235A的屈服应力235MPa，此处将发生塑性变形或者断裂.图5为底层工字梁与支撑板两侧连接处应力云图，最大应力发生在两侧连接处，其值为228.7MPa，略小于材料的屈服极限.

3 轮毂加工V型架结构改进与校核

由静力学分析得知，V型架倾斜工字钢与底层工字钢连接部位出现应力集中，最大应力超出材料的屈服极限.因此，需要对V型架出现的危险部位进行结构改进，并对整个V型架进行强度校核.3.1V型架的结构改进

1)增加加强筋.在支撑梁与底层工字钢两侧连接处内外增加一对加强筋；在倾斜工字钢与底层工字钢连接对应处的底层工字钢内外增加加强筋，减小应力集中，如图6所示.

2)工艺孔.在支撑梁与底层工字钢两侧连接处的支撑梁上加工半径为50mm的工艺孔，目的是为了减少应力集中，如图6所示.

3.2 新V型架的强度验算

图7为改进后的轮毂加工V型架整体应力云图.V型架最大应力发生在底层工字梁与支撑板两侧连接处，其应力值为209.0MPa，小于Q235A的屈服极限235MPa；图8为倾斜工字钢与底层工字钢焊接连接处的应力云图，其应力值为115.6MPa，远小于改进前的应力值261.2MPa.

3.3 改进效果评价

综合以上仿真分析计算结果，对改进后的V型架的有限元分析进行总结并与原V型架对比，评价结构改进效果，改进前后V型架对比如表1所示.

表1 改进前后V型架性能的对比分析

由表1可以看出，V型架改进前在静态满载工况下，最大应力出现在倾斜工字钢与底层工字钢连接处，其数值为261.2MPa，改进后最大应力出现在底层工字梁与支撑板连接处，其数值为209.0MPa，比改进前减小了20%，且在Q235A的作用应力范围内；改进后的质量比改进前增加了0.47%，变化量较小.综合上述分析，本文提出的改进方案，使V型架性能有所改善，能够满足实用工况.

4 结论

通过建立轮毂V型架有限元仿真模型进行静力学分析，得知现有轮毂V型架结构设计不合理，并对此进行结构改进设计和模型验证，其主要结论如下：

1)对轮毂V型架进行静力学分析得到V型架应力分布云图，得知现有轮毂V型架中倾斜工字梁与底层工字梁连接处结构设计不合理.

2)对轮毂V型架中存在的倾斜工字梁与底层工字梁连接处、底层工字梁与支撑板连接处危险部位提出改进意见并实施改进，验证了改进后的V型架能够满足使用工况；通过与原轮毂V型架的性能对比，轮毂V型架改进效果较好.

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(责任编辑 雨 松)

Strength Analysis and Improvement of a Wind Turbine Hub V-rack

SONG Shiping1，WU Huicheng2,LIU Dawei1

(1.CollegeofMechanical&ElectronicEngineering，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China；2.ShandongLifengHeavy-dutyMachineTool，Binzhou251700，China)

AfiniteelementanalysismodelofV-rackforwindturbinehubwasestablishedusingHyperWorks,andthestaticstrengthcalculated.ItwasfoundthatthestructuraldesignoftheconnectionbetweenthetiltbeamandbottombeamoftheV-rackwasweaklydesignedandwasimprovedbyaddingtheribandtheprocesshole.StrengthcheckandverificationhasprovedthatthemaximumstressofV-rackframeisreduced20%from261.2MPato209.0MPa.TheimprovedV-rackframecouldmeettherequirementofapplication.

V-rack；strengthanalysis；structureimprovement；HyperWorks

2016-08-16

2016-09-26

宋世平(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为汽车动态仿真与设计.通讯作者：刘大维(1957-)，男，教授，博士，研究方向为汽车动态仿真与设计.E-mail:qdldw@163.com

TH

A

1673-4432(2016)05-0041-05