基于周期对称模型的MW级风电机组变桨轴承连接螺栓强度计算

针对MW级风机变桨轴承连接螺栓的强度分析问题,采用周期性建模的方式建立了螺栓的有限元分析模型,并基于GL规范计算了螺栓的极限强度及疲劳强度。首先在最大预紧力工况下基于最大极限载荷计算得到了螺栓的最小极限安全系数。然后通过比较3个叶片的极限疲劳载荷得到了最大的极限疲劳载荷,在最小预紧力工况下基于该载荷得到了螺栓的载荷-应力非线性曲线,构建了新的载荷谱并根据载荷-应力曲线将该载荷谱转化为应力谱,利用雨流统计和Palmgren-Miner准则得到了螺栓的最小疲劳安全系数。计算结果表明,变桨轴承与轮毂连接螺栓和变桨轴承与叶片连接螺栓的极限、疲劳强度满足设计要求;该方法减少了有限元的计算量,为螺栓的强度分析提供了新的思路。     

安装螺栓对风电变桨轴承套圈结构变形的影响

风电变桨轴承的安装方式不同于传统轴承,在受载时,套圈存在结构变形。采用非线性弹簧替代球与沟道的接触,梁单元替代轮毂与变桨轴承以及叶片与变桨轴承之间的安装螺栓,建立有限元模型,计算轴承的载荷分布,并与传统计算方法对比,验证了有限元模型的正确性;同时讨论了螺栓预紧力及螺栓个数对变桨轴承套圈结构变形的影响。结果表明:套圈存在径向平面内的弯曲变形以及轴承截面的扭转变形,随预紧力降低,螺栓个数的减小,轴承套圈径向平面内的弯曲和截面扭转越来越显著。     

风力发电机组变桨轴承断裂失效分析

变桨轴承是风电机组的关键零部件之一,其可靠性对风电机组的安全运行有重大影响。以某型风电机组变桨轴承断裂为例,对该变桨轴承进行有限元分析,结合理化检测,研究变桨轴承套圈开裂原因。结果表明,该变桨轴承套圈疲劳强度不满足要求,螺栓孔内部有锈蚀坑,在较大循环应力作用下,套圈疲劳断裂。提出了改进及预防变桨轴承失效的措施。     

单剪螺栓连接复合材料叠层板螺栓孔周边应力场分布

基于螺栓连接三维实体模型,研究螺栓-孔间隙、挤压面摩擦因数等因素对挤压面上的应力分布的影响。研究发现螺栓连接叠层板每层中在纤维方向上释向应力和周向应力达到最大值,单层板铺层方向是径向应力和周向应力的主要承载方向。螺栓-孔间隙对孔周应力的分布产生较大的影响,径向应力分布具有相似性,间隙越大,径向应力水平越高,最大周向应力反而有所减小,而且间隙的存在使得径向应力的分布发生改变,最大径向应力向外加载荷方向靠近;螺栓-孔接触面的粗糙程度对孔周应力的分布也产生较大的影响。随着摩擦因数的增大,最大径向应力随之减小;最大周向应力随着摩擦因数的增大而减小。     

风力发电机变桨轴承强度分析及影响因素

以某MW级风电机组双排四点接触球转盘轴承为例,采用ANSYS有限元分析软件建立叶片-轴承-轮毂的整体有限元模型,将钢球与沟道的非线性接触等效为弹簧单元,进行轴承结构强度和接触强度校核计算,该分析方法可减少大规模的接触计算,提高变桨轴承计算效率。对轴承宽度、加强盘厚度、轴承外径、沟道位置、预紧力等影响参数进行了研究,结果表明：增大轴承宽度、外径以及适当增加预紧力,有利于提高变桨轴承的静承载性能及疲劳性能;适当增大加强盘厚度,可有效提高变桨轴承沟道边缘的承载能力;沟道位置下移,可有效改善变桨轴承套圈的疲劳强度。     

风电机组高强度螺栓扭矩拧紧工艺研究

针对风电机组高强度螺栓装配工艺复杂、装配效率较低的问题,运用超声波法测量螺栓预紧力的方法,以2.0MW机组的变桨轴承与轮毂的连接螺栓为研究对象,分析了5种不同扭矩拧紧工艺条件下螺栓的预紧效果,并比较研究了"预紧次数"和"二硫化钼涂抹方式"对高强度螺栓预紧力的影响。研究结果表明:分3次预紧和分2次预紧螺栓时,螺栓的预紧效果基本相同,可将螺栓装配工艺中分3次预紧优化为分2次预紧,节省装配时间;二硫化钼涂抹方式对螺栓预紧力影响较大,全涂抹时螺栓获得的预紧力更贴近目标值。     

基于紧密度要求的非金属垫片应力场数值模拟

针对密封垫片的实际工作情况,将螺栓-法兰-垫片连接系统看成一个整体进行分析研究,并考虑系统中各元件之间的相互作用。以ASME B16.5标准中的NPS4 Class150法兰为例,建立螺栓-法兰-垫片连接系统的参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为。采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,研究了在不同预紧力和内压载荷的作用下,垫片应力的变化规律。研究结果表明:垫片应力的大小随着螺栓预紧力的增加而增大;随着内压载荷的升高,垫片的应力沿径向和周向分布更加不均匀。研究结果为螺栓-法兰-垫片连接系统的密封性能分析以及有限元法在该领域的应用提供了依据。     

拧螺栓和拧螺母对螺纹轴向预紧力的影响研究

为了研究拧螺栓和拧螺母对轴向预紧力的影响,基于被连接件材料为钢-钢、钢-铝连接结构,将六角法兰面螺栓和六角法兰面螺母分别压钢状态进行拧紧试验,并利用超声波预紧力测量仪监测拧紧实现的轴向预紧力,结果表明拧螺栓较拧螺母实现的预紧力大。经分析导致该现象主要原因为螺栓法兰面实际锥度比螺母法兰面锥度小,即螺栓法兰面较螺母内外圈高度差小,导致前者支承面摩擦内径更小,同目标扭矩条件下扭矩系数小则转化的轴向预紧力更大。结合有限元分析,验证实测样件法兰面不同锥度受载条件下的应力分布情况,钢板最大应力集中位置为支承面摩擦内径,与试验结果相吻合。     

切向加载下螺栓连接复合板的失效分析*

极限载荷和孔周应力是导致螺栓连接复合板失效的主要因素。基于Hashin失效准则和有限元模型建立螺栓连接复合板的渐进损伤有限元模型,通过位移载荷响应讨论预紧力、界面摩擦因数和孔隙变化对极限载荷的影响,分析不同铺层角下孔周应力分布规律。结果表明：随预紧力增大,螺栓连接复合板极限载荷先增大后减小,随摩擦因数增大,螺栓连接复合板极限载荷逐渐增大;不同孔隙下准线性阶段位移载荷响应基本一致,孔隙对极限载荷的影响主要体现在滑移阶段及剪切变形阶段;孔隙增大会减小螺栓与螺孔间的有效接触面积,影响螺栓连接的压力分布和强度;纤维铺层方向与应力分量同向时可有效减少外载荷导致的该方向应力分量的变化,且主应力分量皆在承压区域达到其最小值;应力分量方向与纤维铺层方向相同且该方向无外载荷作用时,应力分量随着角度从承压区到非承压区递增变化。     

风力发电机叶根螺栓的疲劳分析

为保证风力发电机螺栓套预埋式叶根连接既不会在最大载荷下发生静强度断裂,也不会在循环载荷下发生疲劳破坏,在设计叶根时,需要进行螺栓疲劳分析。建立叶根螺栓的有限元模型,对叶根螺栓进行疲劳计算,得到叶根螺栓外部载荷与应力之间的关系曲线,进而通过疲劳损伤计算程序得到螺栓的疲劳损伤值,确认不同预紧力对叶根螺栓疲劳损伤的影响。     

摩擦离合器螺栓联接预紧力对疲劳寿命的影响

以气动摩擦离合器与变速箱联接螺栓为研究对象,通过预紧力的计算以及对螺栓疲劳寿命影响分析,给出了合理的预紧力矩范围。采用了有限元软件ANSYS对在预紧力与外载荷同时作用下的螺栓进行仿真计算,表明螺栓最大应力位置与实际失效情况相符,从而为有限元分析中施加预紧力载荷判断螺栓失效提供了可靠的理论依据和应用价值。     

某柴油发动机主轴承盖螺栓的动力学性能分析

主轴承盖螺栓作为发动机中重要的紧固零件,因工作中承受着复杂的动态激励载荷容易发生疲劳失效。在考虑装配预紧力、曲柄连杆惯性力和气体作用力的情况下,采用有限元方法建立了主轴承盖螺栓联接结构动态分析力学模型,分析了主轴承盖螺栓在复杂激励载荷下的应力分布特点,探讨了装配预紧力、曲柄连杆惯性力和气体作用力等重要工作参数对螺栓螺纹牙根部和最大应力截面中心区域应力分布的影响。结果表明,气体作用力是主轴承盖螺栓重要的外部冲击载荷;主轴承盖螺栓最大应力截面中心区域等效应力随着预紧力的增加而增大;工况(转速)对主轴承盖螺栓的受力影响不显著;螺纹牙根部最大应力区域径向等效应力在螺纹牙根部附近急剧下降,其后至螺纹中心逐渐减小。研究对主轴承盖螺栓可靠性和疲劳寿命设计具有一定的理论参考价值。     

叠片联轴器在不同载荷形式作用下的非线性特性研究

为了研究螺栓法兰连接式叠片联轴器在拉伸、弯曲和扭转3种不同载荷形式作用下的非线性变形行为,建立了联轴器局部有限元模型,分析了螺栓预紧力、界面摩擦因数对叠片变形和螺栓法兰连接刚度的影响,讨论了径向、周向滑移量和联轴器非线性变形之间的关系。结果表明,减小预紧力和摩擦因数可以有效降低联轴器的横向和扭转刚度,但对弯曲刚度影响有限;摩擦因数和螺栓预紧力对扭转刚度具有相似的影响机理。研究成果可为叠片式联轴器的设计提供有益的参考。     

风力发电机组螺栓预紧力与疲劳寿命研究

首先,通过有限元方法对风力发电中机架与夹紧法兰连接螺栓进行了计算,得到了螺栓疲劳损伤与预紧力之间的关系;然后综合考虑连接面分离准则、强度准则和疲劳准则,确定了最佳的预紧力范围。     

大型变桨轴承载荷分布的有限元分析

在实际工程应用中,大型风电变桨轴承的结构多为双排四点接触球轴承,其受力巨大,工况恶劣,掌握其载荷分布规律对于提高变桨轴承的性能和可靠性有重要意义。利用ANSYS Workbench软件,对变桨轴承进行了三维建模,对其进行了静态接触力学分析,研究了变桨轴承的载荷分布规律,以及螺栓预紧力、模拟工况条件对变桨轴承载荷分布的影响。结果表明,变桨轴承中钢球与沟道间的最大接触载荷随螺栓预紧力的增大先减小后增大,工况条件下,变桨轴承会发生扭转变形,对载荷分布有较明显的影响。     

考虑支撑结构及螺栓连接的变桨轴承强度分析

针对MW级风电机组变桨轴承静强度与疲劳强度分析的问题,建立了考虑轴承支撑结构刚度及螺栓连接的"叶片-轴承-轮毂"整体等效有限元模型。变桨轴承等效模型中滚球与滚道接触采用非线性弹簧等效,弹簧刚度利用Herz理论进行计算,并将弹簧节点与滚道曲面采用刚性联接,模拟滚球与滚道的接触边界条件;轴承与叶片、轮毂的螺栓连接采用梁单元进行等效,两端分别与被联接零件刚性联接,模拟轮毂-轴承-叶片螺栓联接接触边界条件;模型中弹簧载荷即为滚球载荷,基于Herz接触理论将得到的滚球载荷转化为接触应力,并可以分析滚球接触角变化与套圈变形及应力。采用此模型并结合ISO标准可以在考虑支撑结构及螺栓连接的基础上有效地分析变桨轴承静强度及疲劳强度,并且减少大规模接触计算,提高了计算效率。     

基于有限元的LNG管道法兰连接紧密性分析

螺栓法兰连接是一种管道连接形式,其密封性能是工程中关注的重要问题,而垫片密封是螺栓法兰连接中被广泛应用的密封形式。综合考虑螺栓预紧力、管道压力、温度、管道结构及低温下材料力学性能,建立管道、法兰、垫片、螺栓系统的热-结构耦合有限元模型,分析螺栓法兰连接在安装工况、压力工况、低温压力工况下垫片接触应力分布规律、螺栓拉应力及管道位移变形。结果表明:低温压力工况下,垫片接触应力周向分布不均匀,管道结构对螺栓法兰连接密封性能有较大影响。     

大口径法兰三维力学有限元分析

建立了螺栓法兰联接大口径法兰的三维有限元模型，在考虑垫片非线性和接触非线性的基础上，研究了预紧工况和承压工况下螺栓、垫片等元件的受载与变形情况。研究表明螺栓外侧应力与预紧力成正比且随着内压的升高而增加：螺栓内侧应力与预紧力成正比但随着内压的升高而降低；法兰偏转量对垫片和螺栓的应力影响较大，随着内压的升高法兰偏转量增加，垫片变形量减小但不均匀性增加。     

变桨轴承套圈应力和疲劳强度的数值分析

针对风力发电机变桨轴承在使用过程中出现套圈断裂的问题,以某3 MW风力发电机用变桨轴承为例,基于有限元对套圈在极限工况下的套圈应力以及疲劳强度进行分析,得到内、外圈易产生断裂的位置处于与来风方向的夹角分别为137.0°~152.6°和151.4°~155.5°区域。提出了在轴承内圈轮毂侧以及外圈叶片侧分别增加凸缘结构的改进措施,改进设计后变桨轴承最大等效应力明显降低,最小疲劳安全系数增大,轴承整体强度明显增大。     

考虑垫片时滞效应的管板-法兰-垫片-螺栓连接系统三维有限元分析--预紧工况和加压工况下密封垫片的压紧应力分析

本文从整体性观点出发,考虑垫片的非线性性质和应力-应变时滞效应,用大型有限元软件ANSYS建立了U形管换热器中等效管板和法兰垫片螺栓连接系统的三维有限元模型,并作为研究报告的第一部分,着重分析了预紧和加压两种工况下垫片材料的非线性与时滞效应、不同的管壳程压差以及不同的螺栓预紧力和不同的螺栓尺寸等因素对法兰接头紧密性(垫片压紧应力的大小和分布状况)的影响;在下一部分中将讨论上述各种因素对法兰接头强度的影响。