MW级风力发电机组变桨螺栓疲劳寿命分析

基于德国船级社Germanisher Lloyd(GL)认证规范,在有限元软件MSC/Marc中对变桨螺栓进行了疲劳应力分析,得到载荷-应力历程;将多体动力学软件Bladed中计算得到的时间-载荷历程与载荷-应力曲线进行通道合并,处理成疲劳分析的时间-应力历程(随机载荷谱),并通过雨流计数法将随机载荷谱处理成规律性的载荷谱.同时依据VDI2230规范建立S-N曲线并对其进行修正,最后运用Palmgren-Miner线性损伤理论得到螺栓最终的损伤值.研究结果表明变桨螺栓在20年的设计寿命中不会发生疲劳破坏.     

多轴非比例载荷谱条件下高强度螺栓疲劳强度分析

以风机主齿轮箱的箱体连接螺栓疲劳强度分析为研究背景,提出一种在多轴非比例载荷谱作用下高强度螺栓连接疲劳强度的分析方法。该方法基于多轴疲劳理论,将外部多轴非比例的风力载荷谱通过连接箱体模型有限元应力计算及雨流计数处理,转化为螺栓各对应载荷方向上的应力雨流谱,然后在螺栓各计算点处进行各载荷方向上的应力合成,按照德国VDI2230标准的计算方法,结合螺栓材料的应力寿命(S-N)曲线,计算得到螺栓各计算点的疲劳损伤率,最后依据线性损伤累计理论,得出连接螺栓的疲劳安全系数。依据本文中的分析方法编制螺栓疲劳强度计算程序,再以某一型号风机齿轮箱的扭力臂与齿圈连接螺栓为例,计算得到该螺栓在风机20年工作寿命内的疲劳安全系数为1. 819。提出的方法为今后计算复杂载荷工况下的螺栓疲劳强度提供了一个新方向。     

多工况下风电齿轮箱联接螺栓疲劳寿命分析

针对风电齿轮箱联接螺栓疲劳受载复杂性问题,建立含螺栓的风电齿轮箱有限元模型,分析不同扭转和弯曲载荷下螺栓应力变化规律,依据风力发电机实际载荷谱,分段插值获得螺栓疲劳应力谱;基于雨流计数方法和Palmgrem-Miner疲劳累积损伤理论,结合螺栓材料S-N曲线,预测各疲劳应力谱下螺栓疲劳损伤,研究风电齿轮箱三种疲劳工况下各不同联接螺栓的疲劳寿命。结果表明:各疲劳工况下,前箱体与一级内齿圈间联接螺栓疲劳损伤值较大,疲劳弯矩工况下达最大损伤值0.853;疲劳扭矩工况下螺栓应力随扭矩增大而增大,危险螺栓靠近箱体两侧支撑处;疲劳弯矩工况下箱体产生倾覆效应,M_Y弯矩下危险螺栓位于箱体上下两侧,M_Z弯矩下危险螺栓位于箱体左右两侧。此次研究工作对提高风电齿轮箱整体使用寿命具有重要意义。     

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。     

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。     

高速列车转向架构架损伤、等效应力及寿命分布特性研究

为分析高速列车转向架构架损伤、等效应力及寿命分布特性,对构架疲劳关键测点进行动应力线路实测并对测点实测时域数据波形进行解析;基于实测应力时间历程及雨流计数法编制二维应力谱,利用Goodman等寿命方程将二维应力谱等效转换为一维应力谱;阐述线性累积损伤及非线性累积损伤模型的建立方法并对实测数据的线性累积损伤及非线性累积损伤进行了计算及对比分析;分别基于线性累积损伤理论及非线性累积损伤理论推导出各理论下的等效应力,基于实测数据对两种等效应力进行了计算及对比分析;通过结合非线性累积损伤及线性累积损伤理论计算的等效应力及不同可靠度下的材料S-N曲线计算并对比分析构架结构的疲劳寿命。研究结果表明,与非线性疲劳分析理论相比,线性疲劳分析理论对高速列车转向架构架的疲劳特性评估偏于保守。     

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。     

高速列车转向架应力谱分组方法研究

应力谱对结构疲劳强度评估和可靠性设计有着重要意义,为了准确评估结构的疲劳强度,通过某型高速动车组实际运营线路上的动应力测试试验,获取动力转向架构架疲劳关键部位的应力-时间历程,采用等距分组方法编制应力谱,结合Palmgren-Miner线性累积损伤理论,计算了不同分组数下应力谱的每公里疲劳损伤值,分析了不同分组数对疲劳损伤的影响规律。结果表明,分组数过少会引起疲劳损伤值的偏差,随着分组数的增加,计算的损伤值逐渐减小,并趋于定值,这是由动车组构架动应力小应力循环高度集中的特点引起的。同时提出了一种适用于构架结构应力谱的不等距分组方法,研究结果可为构架结构的设计提供依据。     

基于应力场强法的随机载荷作用下转向节疲劳寿命预估

利用多体动力学理论建立了双横臂悬架系统的刚柔耦合动力学模型,采用国家B级路面谱进行模拟激励,得到了汽车转向节的六分力时间历程。结合转向节有限元模型,获得了转向节实时等效单元应力,通过统计确定了最易疲劳的损伤区域。运用应力场强理论来计算应力场强,并使用雨流计数法进行了统计,综合计算了转向节的疲劳寿命。结果显示,连接车轮横臂处最易发生疲劳破坏,特定条件下的疲劳循环寿命为2.4×107次。     

车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法*

提出多载荷时间历程的外推方法,给出车下设备承载结构疲劳试验载荷谱编制方法。基于载荷时间历程的雨流计数矩阵,利用二维核密度估计方法(Kernel density estimation, KDE),提出在多载荷时间历程输入条件下的外推方法;应用平均应力修正公式、累积损伤理论和等效损伤准则,根据外推载荷数据,给出疲劳试验程序谱的编制方法;结合动车组车下设备线路测试数据对外推方法进行验证,编制了车下设备承载结构疲劳试验程序谱,并分别使用疲劳试验程序谱和振动测试数据对承载结构进行疲劳强度计算。数据外推结果表明：多载荷时间历程外推方法计算的损伤与实际载荷损伤误差为3.6%,大的扩展倍数下KDE可以给出低周、大幅值载荷;疲劳强度计算结果表明：由于KDE外推产生了大幅值载荷,疲劳试验程序谱计算的损伤比振动测试数据计算的损伤增加了43.8%,所以,在进行疲劳试验载荷谱编制时,需要计算可能出现的大幅值载荷。此研究为其他结构程序载荷谱的编制提供借鉴案例。