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高強(qiáng)度螺栓是聯(lián)接兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)中重要相關(guān)部件的重要元件，其聯(lián)接的可靠性決定著塔筒與偏航齒圈之間的聯(lián)接可靠性。而兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航振動(dòng)過程中的軸向載荷、轉(zhuǎn)矩以及傾覆力矩將直接影響高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接的可靠性及其大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。因此，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航齒圈螺栓聯(lián)接強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析和處理顯得十分緊迫和重要。
傳統(tǒng)螺栓聯(lián)接強(qiáng)度理論往往被用于對(duì)螺栓組聯(lián)接受軸向載荷或傾覆力矩的情況進(jìn)行分析，其結(jié)果卻不太令人滿意。近年來，德國標(biāo)準(zhǔn)VDI2230工程算法、有限元分析方法或兩者相結(jié)合的方法階等被廣泛用于螺栓聯(lián)接的研究中，如Croccolo等運(yùn)用VDI2230與有限元分析相結(jié)合的方法對(duì)螺栓聯(lián)接的力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行模擬仿真，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。而對(duì)于起聯(lián)接作用的高強(qiáng)度螺栓來說，由于Schmidt-Neuper法主要適用于塔筒連接處螺栓聯(lián)接形式，并不適用于塔頂法蘭與偏航齒圈處高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接形式，而有限元仿真分析法在解決此類問題時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)初級(jí)階段預(yù)先實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜強(qiáng)度疲勞分析，并可得到關(guān)鍵零部件如螺栓連接的應(yīng)力及疲勞壽命，為此，本文將有限元仿真分析方法對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航齒圈螺栓聯(lián)接強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，其研究結(jié)果將對(duì)解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)中類似的螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度靜力學(xué)性能分析具有指導(dǎo)意義，并可為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行與可靠性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可以由非自由質(zhì)點(diǎn)系表示。在動(dòng)力學(xué)有限元分析中，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的求解方程可以用下式描述，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位移；dZS(t)/dt2為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)加速度向量；dS(t)/dt為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)速度向量；M,c,x和Q(t)分別為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)載荷向量，分別由各自的單元矩陣和向量集成。與靜力分析相比較，在動(dòng)力分析中，由于慣性力和阻尼力出現(xiàn)在平衡方程中，因此，引入質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，最后得到以常微分方程組形式表示的求解方程。采用直接積分法中的中心差分格式對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，在給定初始條件和一定的起步計(jì)算方法后就可以利用式求解兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)的位移，但應(yīng)注意中心差分法是條件穩(wěn)定算法。在Pro/E中建立幾何模型，由于整個(gè)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)小零件繁多，為重點(diǎn)分析偏航齒圈與塔架法蘭連接處的高強(qiáng)度螺栓，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行了一些合理簡化，如將偏航齒圈上的齒去掉，以圓環(huán)的形式替代，其他特征保持不變；將偏航齒圈、塔架法蘭、螺栓模型中一些不會(huì)對(duì)整體分析產(chǎn)生影響的倒角修剪特征及螺栓的螺紋予以刪除。在滾動(dòng)式偏航軸承螺栓連接內(nèi)外圈受載后的變形是相互獨(dú)立的，只研究偏航齒圈與塔架法蘭處的螺栓聯(lián)接，故可將橫向吊桿組件予以刪除等，具體模型如圖所示。
若從整個(gè)系統(tǒng)來分析偏航齒圈與塔架法蘭處的螺栓應(yīng)力強(qiáng)度，則前處理重復(fù)步驟繁雜，計(jì)算時(shí)間較長。考慮到整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱性和最大受載螺栓及其極限工況，建立單個(gè)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的1/88局部模型，模型包括偏航齒圈、塔架法蘭的局部模型及與其連接的單個(gè)高強(qiáng)度螺栓。對(duì)于預(yù)緊力狀態(tài)下的高強(qiáng)度螺栓連接模擬方法主要有：1)一維梁單元模擬螺栓，螺紋連接處用MPC連接進(jìn)行模擬；2)實(shí)體單元模擬螺栓，螺紋連接處用綁定連接進(jìn)行模擬。在運(yùn)用實(shí)體單元模擬螺栓時(shí)，即使不建立詳細(xì)完整的螺紋細(xì)節(jié)，其數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在螺桿部位差別也不大，故可以只建立螺栓頭、螺栓桿圓柱體、螺紋嚙合部位光桿部分圓柱體來模擬螺栓實(shí)體單元。由于ABAQUS在處理有限元非線性問題和Hypermesh在劃分網(wǎng)格精度上的優(yōu)勢(shì)，采用Hypermesh對(duì)零件六面體單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在相應(yīng)部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，單元總數(shù)為13234個(gè)，如圖所示。將網(wǎng)格文件導(dǎo)入ABAQUS中選用縮減積分單元C3D8R，該單元具有較強(qiáng)的接觸模擬能力，且相對(duì)于協(xié)調(diào)單元計(jì)算成本較低，同樣能得到較理想的計(jì)算結(jié)果。
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