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機(jī)艙底盤是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的重要組成部件，它上面支撐著風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、液壓站和電控柜等重要的零部件；中間支撐著偏航減速器，使其輸出小齒輪與固定在塔架頂部的偏航外齒輪正確嚙合；下面與偏航軸承的動(dòng)圈聯(lián)接，在對風(fēng)時(shí)帶動(dòng)機(jī)艙及風(fēng)輪偏航。機(jī)艙底盤不但承受著來自這些零部件的各種載荷，而且作用在風(fēng)輪上的軸向推力也通過機(jī)艙底盤傳遞到塔架上，因此需對機(jī)艙底盤的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。
采用一般材料力學(xué)的方法，無法進(jìn)行計(jì)算，因此，本文采用ANSYS有限元分析軟件來解決這個(gè)問題。ANSYS作為一種強(qiáng)大的有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天、汽車、船舶等各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中必不可少的工具。本文對沈陽工業(yè)大學(xué)研發(fā)的1 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙底盤進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，目的是校核其強(qiáng)度，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，使之滿足設(shè)計(jì)要求。
機(jī)艙底盤受力比較復(fù)雜，除受到上述各零部件的重力外，前端還受到空氣對風(fēng)輪的氣動(dòng)推力， 中間還有增速箱和發(fā)電機(jī)的大扭矩作用，四周還有空氣對機(jī)艙罩的氣動(dòng)阻力，這些力都將通過支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)化到機(jī)艙底盤上。
空氣對風(fēng)輪的氣動(dòng)推力，應(yīng)在最危險(xiǎn)的暴風(fēng)工況時(shí)進(jìn)行計(jì)算，以確保風(fēng)力機(jī)在暴風(fēng)情況下也不會(huì)發(fā)生破壞。順風(fēng)向氣動(dòng)阻力計(jì)算時(shí)將機(jī)艙近似視為三維。
機(jī)艙底盤上支撐的零部件比較多，為簡化計(jì)算，在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量載荷分析中，則需要分辨出各零部件的支撐情況，據(jù)此進(jìn)行質(zhì)量重組，可能從另外的系統(tǒng)中分離一部分質(zhì)量加入本系統(tǒng)。基于上述原因，在確定機(jī)艙底盤支撐座的質(zhì)量載荷時(shí)，對原有系統(tǒng)的計(jì)算質(zhì)量進(jìn)行了分離及重組，然后算出它們重組后的質(zhì)量和重心位置，如圖1和圖2所示。其中輪轂、槳葉和變距電機(jī)等重組為風(fēng)輪重量；增速箱、剎車軋和聯(lián)軸器一半等重組為增速箱重量；主軸承及軸承座重組為軸承座重量；發(fā)電機(jī)及聯(lián)軸器一半重組為發(fā)電機(jī)重量。并且增速箱和發(fā)電機(jī)在垂直軸向的平面上還有扭矩作用，如圖3所示。
為便于計(jì)算機(jī)艙底盤支撐座載荷，將機(jī)艙底盤支撐的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分3部分進(jìn)行計(jì)算：①主軸傳動(dòng)系統(tǒng)(風(fēng)輪、主軸、主軸承及主軸承座、增速箱與聯(lián)軸器1/2結(jié)構(gòu))；②發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(發(fā)電機(jī)及聯(lián)軸器1/2結(jié)構(gòu))；③非傳動(dòng)附件(偏航電機(jī)、液壓站、主電氣柜、提升機(jī)、機(jī)艙罩)。對于③部分的零部件，都是獨(dú)立作用的，其重量平均作用在支撐點(diǎn)上。對于①、②兩部分，通過質(zhì)量重組計(jì)算后按圖1和圖2的受力分析圖進(jìn)行計(jì)算。由于增速箱和發(fā)電機(jī)在垂直軸向的平面上還有扭矩作用，將對支撐點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩。
此根據(jù)圖3再把它們的扭矩作用考慮進(jìn)去。對于機(jī)艙罩所受的氣動(dòng)阻力，將它平均加在機(jī)艙罩的各個(gè)支撐點(diǎn)上。各支撐點(diǎn)受力大小見表1。其中，主軸承座、增速箱座、發(fā)電機(jī)座和偏航支座為面支撐，其它的由于接觸面比較小可視為點(diǎn)支撐。
ANSYS有限元分析軟件的建模功能不是很強(qiáng)大，但是它與其他的CAD軟件都有接口，由于機(jī)艙底盤結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此本論文采用Solideworks軟件對機(jī)艙底盤進(jìn)行實(shí)體建模，然后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和靜強(qiáng)度分析。模型采用四面體10節(jié)點(diǎn)單元，自由網(wǎng)格劃分，共劃分176 073個(gè)單元和333 030個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)體建模時(shí)，在保證分析結(jié)果正確性的前提下，刪去了不關(guān)鍵的小圓角、小倒角以便提高運(yùn)算的速度。圖4是風(fēng)力機(jī)機(jī)艙底盤的有限元模型。
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