大型风力机桨叶螺栓断裂失效分析及优化研究

针对某风场风电机组桨叶螺栓批量断裂的问题,为分析其是否由于疲劳损伤导致的断裂,采用了有限元仿真和现场实验测试对比分析的方法,研究了桨叶螺栓连接系统的刚度行为和桨叶螺栓的疲劳寿命。将桨叶螺栓疲劳寿命计算结果与桨叶螺栓断口分析相结合,确认了桨叶螺栓断裂原因是由疲劳损伤所致;提出了降低桨叶螺栓刚度以改善其疲劳寿命的方法,设计了细杆螺栓优化方案并进行了现场实施与验证。研究结果表明:桨叶螺栓疲劳断裂位置主要集中在前缘±45°范围以内,与仿真分析结果一致;改进后的细杆螺栓方案使得桨叶螺栓的应力幅值下降13%左右,现场应用明显改善了桨叶螺栓断裂情况。     

螺栓疲劳寿命计算方法探讨及研究

螺栓作为飞机结构中最重要的传载连接件,其静强度性能已经引起了人们的高度关注,然而由于螺栓为标准件,因而对其疲劳性能重视程度不够。通常对螺栓疲劳寿命计算,也只分析其拉应力对寿命产生的贡献,而忽略其剪切应力对疲劳寿命的影响,这样可能会得到螺栓寿命偏危险的设计结论。介绍了螺栓的受载特点及破坏型式,研究了螺栓应力集中系数的确定方法,通过引入螺栓当量拉应力概念,对螺栓疲劳寿命计算中参考应力的选取方法进行了改进,给出了名义应力法及DFR方法计算螺栓疲劳寿命的一般步骤,最后总结了影响螺栓疲劳寿命的因素,提出了改善螺栓疲劳性能的常见方法。     

压缩机螺栓联接结构的有限元模拟及疲劳寿命分析

疲劳破坏是螺栓失效的主要形式之一。应用接触有限元方法,对螺栓联接结构进行了应力分析。通过螺栓材料的疲劳试验,获得了材料的应力应变寿命曲线;采用多轴应变下的局部应力应变方法进行疲劳寿命计算;并研究了螺栓预紧力对螺栓疲劳寿命的影响,提出了延长螺栓寿命的方法。     

高强度螺栓疲劳强度可靠性设计

本文根据金属裂纹扩展理论对高强度螺栓的疲劳断裂过程进行分析,提出了一种估计螺栓疲劳寿命的方法,由此方法,我们能够根据给定的可靠度和疲劳寿命设计螺栓的尺寸。     

基于加速度信号的悬置螺栓疲劳寿命研究

零件在实验工况下所受应力数据对预测其疲劳寿命至关重要。针对发动机悬置螺栓等无法通过应变片传感器直接得到载荷数据的部位,提出一种基于加速度信号的悬置螺栓疲劳寿命估计方法。通过宏观断口及力学模型分析,明确了在不同工况下造成悬置螺栓疲劳失效的主要矢量载荷与加速度载荷的转换关系。结合悬置螺栓S-N曲线,计算出不同工况下由加速度引起的弯矩和拉压波动载荷的时间历程,并进行了发动机悬置螺栓的疲劳损伤计算,从而形成了一种复杂载荷下的发动机悬置螺栓疲劳寿命分析方法。最后基于悬置螺栓在两种道路的应力载荷谱所分别对应的疲劳寿命,建立起了针对悬置螺栓的道路间的当量关系。     

等效结构应力法在塔机关键焊缝疲劳强度研究中的应用

建立了包含焊缝细节的塔式起重机标准节主弦杆与连接螺栓套的计算模型,基于等效结构应力法对连接焊缝进行虚拟疲劳分析,得到了连接焊缝处的疲劳寿命分布和危险点的寿命.同时,利用INSTRON电液伺服系统开展台架疲劳试验研究.研究结果表明:等效结构应力法能够较好地预测和评定主弦杆与连接螺栓套处焊缝的疲劳强度.据此提出了标准节抗疲劳设计的思路与措施.     

预紧力对风电叶片根部螺栓疲劳寿命的影响分析

风电叶片在运行过程中,螺栓在不断承受交变载荷作用。安装时施加在螺栓上的预紧力不仅保证了叶片和轮毂的紧密性,同时,预紧力的大小也在一定程度上影响着螺栓的疲劳寿命。本文从理论角度分析预紧力对螺栓疲劳寿命的影响;再通过有限元计算,分析了不同预紧力对螺栓疲劳寿命的影响。     

GEVO16柴油机连杆螺栓的疲劳寿命研究

通过对GEVO16连杆螺栓进行失效分析,表明该螺栓断裂形式属于疲劳断裂。为了提高连杆螺栓的疲劳寿命,对螺栓的头部成型、热处理工艺、滚丝工艺等方面进行了研究,并对进口螺栓以及自制螺栓进行了疲劳对比试验。试验表明,此工艺能够生产出符合设计要求的连杆螺栓,并能有效地提高螺栓的疲劳寿命,完全满足连杆螺栓批量生产的要求,为早日实现连杆螺栓的国产化奠定了基础。     

栓焊并用连接结构疲劳寿命分析

为了研究端部角焊缝与高强度螺栓并用连接结构在循环荷载下的疲劳性能,通过试验,对比了焊接和栓焊两种不同连接结构疲劳寿命和疲劳失效机理的差异,分析了高强度螺栓对栓焊结构疲劳寿命的影响。结果表明,高强度螺栓能够减小焊缝处的受力,抑制裂纹扩展,提高结构连接刚度,有效延长结构的疲劳寿命。同时利用等效结构应力法对栓焊结构进行了寿命估算。估算结果与试验结果吻合良好,误差在10%以内,验证了等效结构应力法对端部角焊缝与高强度螺栓并用连接结构寿命估算的适用性。     

基于接触分析的高强度螺栓疲劳寿命分析

针对结构复杂的螺栓连接及螺栓受力的复杂性,提出一种新的计算螺栓疲劳寿命的方法.本文通过有限元建模对某MW级风力发电机组塔筒法兰螺栓进行强度分析,并对应力最大螺栓进行分布加载计算;在MATLAB/simulink中对计算结果进行编程运算,拟合出螺栓载荷应力曲线;采用雨流计数法对载荷谱进行处理,结合材料的S-N曲线在Palmgrem-Miner理论准则下,并借助于MSC.Fatigue软件计算得到螺栓的疲劳寿命.同时应用Schmidt-Neuper理论及VD12230对螺栓疲劳寿命进行校核验证,得出这种新的螺栓疲劳方法的合理性.     

连杆螺栓的强度分析

对连杆螺栓受力进行了研究,利用ANSYS对螺栓进行静力学分析,得出螺栓的应力分布状况。对连杆螺栓断裂事故进行了分析,得出可能造成螺栓断裂的原因;利用Miner疲劳损伤理论和ANSYS软件,分别对连杆螺栓进行疲劳寿命计算,预估螺栓的使用寿命。     

风电机组主轴法兰螺栓连接疲劳损伤分析

高强度螺栓是MW级风电机组轮毂法兰与主轴法兰之间重要连接部件。针对其疲劳损伤分析,基于VDI2230高强度螺栓设计准则,首先提出并建立了以等效梁模拟主轴法兰螺栓连接的疲劳损伤有限元模型,同时验证了等效梁模拟螺栓连接的正确性。最后依据Eurocode3规范、Palmgren-Miner线性累积损伤理论对主轴法兰高强度螺栓连接疲劳损伤进行了计算。分析结果表明,螺栓在20年设计寿命中,不会发生疲劳失效。论文的研究成果为高强度螺栓连接建模与疲劳失效分析提供参考依据,具有一定的工程应用价值。     

基于可靠性评价的超高压压缩机二段出口螺栓疲劳寿命预测

超高压压缩机螺栓在交变载荷作用下,会产生疲劳失效破坏.对两种工况下超高压压缩机二段出口螺栓进行了受力分析、断裂分析、疲劳分析与剩余寿命评估;利用裂纹扩展速率与螺栓的临界裂纹尺寸对含缺陷的超高压压缩机二段出口螺栓两种工况下疲劳寿命进行了预测,为设备的诊断维护提供了合理的依据.     

TC16钛合金螺栓及其连接30CrMnSiA钢板孔的疲劳行为

利用高频疲劳实验机和自制装置进行疲劳试验,研究了TC16钛合金螺栓连接30CrMnSiA高强度钢板结构的疲劳破坏行为,并通过扫描电镜(SEM)和有限元分析法分析了钢板和钛合金紧固件的失效机理。结果表明:30CrMnSiA高强度钢板件用TC16钛合金紧固件连接时在外加拉-拉疲劳载荷下,其疲劳破坏属于微动疲劳,寿命较带自由孔30CrMnSiA钢板件的常规疲劳寿命下降约60%,脱层和磨粒磨损是板孔微动疲劳的主要损伤形式。TC16钛合金紧固件连接30CrMnSiA高强度钢板结构在拉-拉疲劳载荷下,钛合金螺栓由于弯曲疲劳作用发生弯曲疲劳断裂,而非微动疲劳破坏。TC16钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理有利于改善30CrMnSiA高强度钢连接板的微动疲劳性能。然而,钛合金螺栓表面进行阳极氧化处理由于韧性降低的缘故,却导致其常规弯曲疲劳抗力明显下降。     

风电法兰接触界面不平整对螺栓疲劳寿命的影响研究

高强度螺栓在大兆瓦风力发电机组上有着广泛的应用，法兰接触界面不平整会显著影响螺栓的疲劳寿命，引起螺栓断裂。现通过建立变桨轴承法兰接触面平整和局部含有间隙两种情况下的详细三维实体模型，对比分析了螺栓的受载情况，发现接触缝隙会显著增大螺栓的最大拉应力，使疲劳寿命显著下降。最后提出了在接触界面间增加垫片来消除间隙的方法，效果良好。     

非金属垫片螺栓法兰连接寿命评价

分析非金属垫片密封的时效特性,考虑高温条件下材料退化和垫片载荷松弛过程对密封性能的影响,依据多孔介质理论,建立非金属垫片密封的时效泄漏模型.将螺栓法兰连接系统寿命划分为密封寿命和部件寿命.提出密封寿命试验方法,在考虑垫片泄漏特性变化的基础上,基于指标泄漏率分析螺栓法兰连接系统密封寿命;基于蠕变和疲劳损伤准则分析高温螺栓的剩余寿命,探讨螺栓法兰连接系统的密封寿命和各部件寿命之间的关系.建立螺栓法兰连接系统的寿命预测最弱环模型,将垫片的变形特性和泄漏特性统一于螺栓法兰连接系统中进行研究,提出基于指标泄漏率和结构完整性的螺栓法兰连接系统寿命评价方法.     

螺栓疲劳寿命预测

通过材料疲劳寿命方程回归、有限元计算,应用局部应力应变法,预测了螺栓试样疲劳寿命,螺栓试样疲劳试验验证了该方法的适用性及螺栓接触有限元计算结果的精确性.     

基于ANSYS的被联件刚性对螺栓强度影响的研究

为研究螺栓强度的影响因素,以某工程机械安装螺栓及其被联接件为例,利用有限元软件ANSYS进行仿真分析,计算了不同被联接件刚度下螺栓的应力、应力幅,并结合应力试验,验证了所建立的有限元模型的准确性和适用性,再通过疲劳试验验证了螺栓所受应力幅与其疲劳寿命的对应关系.结果表明:被联接件刚度越好,螺栓所受应力幅越小,其疲劳强度越小,疲劳寿命越长.     

风电叶片螺栓套疲劳试验机支架寿命分析

以风电叶片螺栓套试验机支架为研究对象,通过有限元分析和试验研究的方法,对螺栓套疲劳试验机加载支架的疲劳寿命进行研究。首先,根据实际工况的要求,对试验机支架进行建模并通过Solid Works Simulation组件对支架进行静力分析。然后,采用名义应力法对支架后梁结构的疲劳寿命进行计算并采用Solid Works Simulation组件对支架后梁结构进行疲劳分析。最后,通过疲劳试验对试验机支架的抗疲劳特性进行试验验证。研究结果表明,在有限元分析的基础上,采用名义应力法能够对风电叶片螺栓套试验机加载支架的疲劳寿命进行有效估算,为风电叶片螺栓套疲劳试验机的设计与应用提供理论基础。     

兆瓦级风机变桨轴承与轮毂连接螺栓的疲劳分析

针对1. 5 MW级风电机组叶片与轮毂连接处变桨轴承上的螺栓,提出一种计算连接螺栓的疲劳损伤值的方法。首先,运用Abaqus软件建立合理的有限元模型,对叶根中心处加弯矩载荷,利用Matlab完成弯矩时间历程谱转换成应力时间历程谱。最后对应力时间历程谱进行雨流计数法处理,再利用Miner线性累计损伤理论和S-N曲线对螺栓进行疲劳分析计算。结果表明螺栓的疲劳损伤值在安全范围内,风机到达使用寿命前螺栓的疲劳损伤很小。研究工作可以指导整个风机上连接螺栓的优化设计,为螺栓疲劳设计和寿命分析提供参考。