【优秀论文】基于Abaqus子模型技术的风电机组轮毂吊耳结构强度分析

基于Abaqus子模型技术的风电机组轮毂吊耳结构强度分析

李云龙 赵迪 严素欣 邢春雷

中国航天万源国际有限公司

摘  要: 大型风力发电机组中，轮毂吊耳用于设备的运输与起吊，在起吊过程中，吊耳承压面上应力分布非常复杂，它直接关系到运输和起吊的安全。因此对大型风力发电机组中的轮毂铸件这种质量大的设备，必须对吊耳的强度进行核算，以避免在起吊过程中对吊耳造成破坏。本文以3.0MW风力发电机组中的轮毂吊耳结构为研究对象，采用子模型技术来对轮毂吊耳结构处进行强度计算，在全局模型分析结果的基础上，使用细化网格对模型的局部作进一步分析，减少甚至取消了有限元实体模型中所需的复杂传递区域，可以在感兴趣的区域就不同的设计进行分析。缩短计算周期，节省时间，保证了计算结果准确可靠。

关键词：风电机组　轮毂吊耳　Abaqus  子模型技术

近年来在国家政策的支持下，风电产业取得快速发展，主流机型已经转向兆瓦级以上大容量机组，轮毂吊耳用于设备的运输与起吊，在起吊过程中，吊耳承压面上应力分布非常复杂，针对大型风电机组中的轮毂铸件这种质量大的设备，则必须对吊耳的强度进行核算，以避免在起吊过程对吊耳造成破坏。有限元计算方法已经成为风机零部件强度校核的主流，可以使风力发电机组的设计和分析更加精准，

风力机轮毂吊耳结构边界条件比较复杂，模型尺寸与轮毂整体模型尺寸相比很小，如果要详细分析细小结构的应力情况，都进行网格加密处理会带来较大计算量，同时引起应力集中问题导致计算结果不准确，针对以上问题，结合Abaqus子模型技术对轮毂吊耳结构进行强度计算。在全局模型分析结果的基础上，使用细化网格对模型的局部作进一步分析，从而以较小的计算代价得到更精确的结果。

Abaqus子模型技术是通过把初始全局模型的解插值到子模型边界，采用网格细化的子模型来分析局部区域，特别适用于需要得到局部区域详细的结果，并且该区域对整体的影响可忽略。子模型方法又称切割边界位移法，切割边界为子模型从全局模型中分隔开的边界，全局模型在这个边界上的计算位移值通过插值到子模型边界上作为驱动，从而对子模型进行计算，根据圣维南原理，实际分布载荷被等效载荷代替后，只有载荷施加的位置附近应力和应变受到影响，因此应用子模型法可以得到细小部位如圆角处精确的结果。子模型技术计算的流程图如图1，在有限元前处理专业软件hypermesh基础上，通过建立轮毂结构全局模型和吊耳结构子模型，在子模型输出文本文件.inp里面添加子模型边界条件和驱动变量对应的关键字，提取子模型切割边界条件，来实现轮毂吊耳结构的强度校核。

图1子模型技术流程图

首先基于有限元前处理软件Hypermesh完成对轮毂结构全局模型的分析。并保存子模型边界附近的分析结果。全局模型在子模型边界上的位移结果是否准确，会在很大程度上影响子模型的分析结果精度。因此要保证全局模型在子模型边界上又足够细化的网格，另外还要尽量选择位移变化不剧烈的位置作为子模型边界。图2为全局模型图。

图2 轮毂吊耳结构全局模型图

子模型是完全依靠全局模型的，子模型的位置（相对全局坐标原点）应与全局模型的相应部分相同对子模型建模，并使子模型在总体坐标系中的位置与它在整体模型中的相应位置一致。选择切割边界上的节点，将其存储在set集合中。原本作用在全局模型上的边界条件载荷接触和约束，如果是位于子模型区域之内的，则在子模型中要保持不变，如果位于子模型区域之外，则在子模型中不再出现。轮毂吊耳结构子模型如图3.

图3 轮毂吊耳结构子模型图

提取子模型切割边界条件。读入整体模型的结果文件，并将子模型的文本文件inp里面添加关键字，读入切割边界节点，进行切割边界插值，分析子模型。查看子模型边界附近的结果变量值及云图变化与全局模型是否一致，如果结果一致，则认为该子模型是有效的。如果不符合，需要将切割边界取在离关心区域更远的位置，重新计算。图4为全局模型位移云图，图5为全局模型吊耳处位移云图，图6为子模型吊耳位移云图，图7为全局模型应力云图，图8为子模型应力云图。

图4 全局模型位移云图

图5 全局模型吊耳处位移云图

图6 子模型模型吊耳位移云图

图7 全局模型模型应力云图

图8 子模型模型应力云图

从以上结果分析，对比图4、图5、图6全局模型和子模型位移计算结果，切割出来的吊耳处最大位移都为9.597e-3，保证了位移结果的正确传递，确保子模型是可靠的；对比图7和图8全局模型和子模型应力计算结果，全局模型应力云图分布非常不均匀，子模型应力云图分布均匀，符合受力状态，计算结果比较准确可靠。

以往对风力机轮毂吊耳结构进行强度分析时，轮毂吊耳结构整体模型的计算大概花费近1小时，而对子模型的计算仅用了10分钟。有效的避免了大型设备结构单元划分过多，计算困难的缺点，本发明中的计算方法在全局模型分析结果的基础上，使用细化网格对模型的局部作进一步分析，从而以较小的计算代价得到更精确的结果，取消有限元实体模型中所需的复杂传递区域，在感兴趣的区域就不同的设计进行分析。缩短了计算周期。为此类结构的局部计算及局部修型提供了一种高效率、高精度的手段。节约成本。

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4.张巍 兆瓦级风力发电机组关键部件力学性能研究[学位论文]2009

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