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論文導(dǎo)讀：扭力臂有限元模型的建立。圖3SolidWorks導(dǎo)入AWB的專用插件。扭力臂是齒輪箱中的關(guān)鍵部件。對某1.5WM風力發(fā)電機組中的扭力臂進行疲勞壽命分析�；�于有限元的風電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析。
關(guān)鍵詞：有限元，AWB，扭力臂，疲勞壽命

　　1 引言
　　齒輪箱用于風力發(fā)電領(lǐng)域，工作時承受較大的隨機扭轉(zhuǎn)載荷。科技論文，AWB。扭力臂是齒輪箱中的關(guān)鍵部件，一旦失效，會導(dǎo)致整個齒輪箱的失效，所以要在設(shè)計階段確保扭力臂滿足國家規(guī)定的20年的使用壽命。
　　對于用于兆瓦級風力發(fā)電機組的扭力臂來說，其受力情況較為復(fù)雜，且長期承受交變應(yīng)力，按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)能否保證扭力臂在20年的時間內(nèi)正常工作成為廠家擔心的問題。本文通過有限單元法，根據(jù)風力發(fā)電機組相關(guān)的規(guī)定，對某1.5WM風力發(fā)電機組中的扭力臂進行疲勞壽命分析，驗證該扭力臂的疲勞壽命是否符合要求。
　　2 疲勞分析過程
　　雖然在實際應(yīng)用中有著多種不同的疲勞分析方法，但任何疲勞分析卻都要經(jīng)過以下通用的步驟：
　�。�1）對零件進行結(jié)構(gòu)分析，尋找零件的薄弱部位；（2）獲取材料的疲勞性能，根據(jù)具體情況分析出零件的疲勞性能， （3）處理載荷，生成載荷譜；（4）根據(jù)實際零件的可能的疲勞破壞形式，采用一定的疲勞損傷累積規(guī)則，得到零件的疲勞壽命。
　　
　　圖1 扭力臂疲勞分析流程圖
　　根據(jù)以上的步驟，對于本文分析的扭力臂的具體流程如圖1所示。
　　3 扭力臂有限元模型的建立
　　3.1 三維實體模型的建立
　　本文選用的有限元分析軟件是ANSYS-Workbench，它是一個集成化的仿真平臺，給ANSYS的求解提供了強大的功能。
　　
　　圖2 扭力臂的三維實體模型
　　
　　圖3 SolidWorks導(dǎo)入AWB的專用插件
　　本文采用三維實體造型軟件SolidWorks生成扭力臂的實體模型，再將其導(dǎo)入至AWB中。AWB對于包括SolidWorks在內(nèi)的主流的CAD軟件集成有專門的插件，避免了以往通過IGES格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)而造成的單元丟失等問題，保證了最好的CAE結(jié)果�？萍颊撐模珹WB。如圖3所示，在SolidWorks中生成扭力臂的實體模型后，可以通過插件把實體模型直接導(dǎo)入到AWE中。
　　3.2有限元模型的建立
　　零件的材料參數(shù)在AWB>Simulationg>Engineering Data下輸入。本文中，扭力臂的材料采用QT400，查找文獻[1]可查知QT400的抗拉強度為400MPa，屈服強度為250MPa，密度為7300kg/m3，彈性模量為1.55GP，泊松比為0.27。
　　由于扭力臂的尺寸較大，且靜力學(xué)分析主要是為了找到扭力臂應(yīng)力最大的位置，目前采用AWB默認的網(wǎng)格劃分即可。AWB軟件中，默認采用10節(jié)點的四面體單元和20節(jié)點的六面體單元劃分單元。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖5所示，共有20589個單元，35433個節(jié)點。
　　
　　圖4 材料參數(shù)輸入圖5 網(wǎng)格劃分情況
　　4 靜力學(xué)分析
　　本文僅需要得到扭力臂薄弱部位，所以只需計算應(yīng)力分析。
　　4.1 受力與約束
　　扭力臂受力比較簡單，主要承受承受自身重量、整個齒輪箱的重量和內(nèi)齒輪傳遞來的扭矩。
　　本文對扭力臂的受力做出了適當?shù)暮喕�：�?nèi)齒輪傳遞來的扭矩平均加載至用于與內(nèi)齒輪聯(lián)結(jié)的各個螺紋孔上（由圖6中的Moment設(shè)置），齒輪箱的重量同樣由各個螺紋孔均勻承擔(由圖6中的Force設(shè)置)，同時要考慮扭力臂自身的重量，設(shè)置Standard Earth Gravity（標準重力加速度）；固定在機艙上的兩孔設(shè)置為Fixed Support（約束其六個自由度），具體的受力與約束情況如圖6所示。科技論文，AWB。
　　
　　圖6 扭力臂的受力和約束
　　4.2 靜力學(xué)分析結(jié)果
　　扭力臂的應(yīng)力云圖如圖7所示，等效應(yīng)力（von-Mises）的最大值為63MPa，出現(xiàn)在過度圓角上，該位置產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，符合力學(xué)原理。扭力臂的最大應(yīng)力遠小于許用應(yīng)力250MPa，符合要求�？萍颊撐�，AWB。
　　
　　圖7 扭力臂的應(yīng)力云圖
　　5 疲勞分析
　　5.1 材料的P-S-N曲線
　　通過相關(guān)的材料手冊，可以查到扭力臂所用材料QT400的P-S-N曲線，在指定存活率下的疲勞壽命，如表1所示，計算公式見公式1。
　　LgNp=ap+ bplgσ（1）
　　

表1 QT400在不同存活率下的
　　文獻[2]中推薦存活率應(yīng)大于97.7%，本文選擇QT400的99%存活率下的S-N曲線。一般來說，球墨鑄鐵的轉(zhuǎn)折點壽命ND為2×106。在雙對數(shù)坐標系下，S-N曲線包括兩部分，轉(zhuǎn)折點左側(cè)為一條斜線，轉(zhuǎn)折點右側(cè)為一條直線（準確來說是一個與左側(cè)不同斜率的斜線，但往往簡化為直線）。但根據(jù)文獻[2]中的規(guī)定，對于球墨鑄鐵，當壽命Ni>ND時，應(yīng)將此S-N曲線按恒定斜率延伸，所以本文材料的P-S-N曲線如圖8所示。
　　QT400的P-S-N曲線需要輸入至AWB>Simulationg>Engineering Data>AlternatingStress中，以便軟件在計算疲勞壽命時引用該曲線。
　　
　　圖8 QT400的99%存活率下的P-S-N曲線
　　5.2零件的P-S-N曲線
　　通常我們通過材料手冊所獲得的S-N曲線大多是無缺口的標準試樣的試驗結(jié)果，所以僅僅知道材料的P-S-N曲線是不夠的，還要考慮零件的實際情況對P-S-N曲線的影響。
　　在對具體零件進行疲勞分析時，需要考慮以下四個因素的影響：缺口形狀效應(yīng)、零件尺寸效應(yīng)、表面狀況的影響和平均應(yīng)力的影響。科技論文，AWB。
　　根據(jù)文獻[2]中的規(guī)定，在風力發(fā)電機齒輪箱的設(shè)計中，可以由以下方法計算出以上各個因素對疲勞壽命的影響：
　�。�1）對于應(yīng)力比R>0的S-N曲線應(yīng)縮減，縮減系數(shù)SR可取0.85。
　　（2）大壁厚t（mm）的影響由系數(shù)St給出：
　　（2）
　�。�3）對制造缺陷（氣孔、縮孔、夾渣）的影響，采用下列系數(shù)加以考慮：
　　（3）
　　式中：j——零部件質(zhì)量等級；
　　j0——S-N曲線的質(zhì)量等級，使用綜合S-N曲線，該值可選為1
　　扭力臂最薄處壁厚為120，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，零件質(zhì)量等級為5級，即j=5。
　　計算得St=0.79、Sd=0.522，SR*St* Sd =0.35。這一數(shù)據(jù)需要輸入至AWB中的Fatigue Strength Factor，具體操作為AWB>DS>FatigueTool>Fatigue Strength Factor，如圖10所示。
　　5.3疲勞損傷累積規(guī)則
　　工程中常用的疲勞分析方法有三種: 名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和損傷容限法。對于本文研究的扭力臂來說，其疲勞壽命分析屬于彈性變形居主導(dǎo)地位的高周疲勞壽命進行計算，所以應(yīng)采用名義應(yīng)力法。
　　在各種基于名義應(yīng)力法的疲勞累積損傷規(guī)則中，Miner法則的應(yīng)用最為廣泛。設(shè)材料在某級應(yīng)力下達到破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N1、經(jīng)n1次應(yīng)力循環(huán)而疲勞損傷吸收的凈功為W1，根據(jù)Miner法則有：
　　
　�。�4）
　　則在N個應(yīng)力水平級別下分別對應(yīng)經(jīng)過ni次應(yīng)力循環(huán)時，材料疲勞累積損傷為：
　　（5）
　　ni——第i級應(yīng)力水平下經(jīng)過的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；
　　Ni——第i級應(yīng)力水平下的達到破壞時的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。
　　當D值等于1時，認為被評估對象開始破壞。
　　在相關(guān)標準中，風力發(fā)電機疲勞壽命的分析也是采用Miner法則，當累積損傷超過1時，就達到了限制狀態(tài)，所以在使用壽命期內(nèi)，風力機的累積損傷應(yīng)小于或等于1，即：
　　（6）
　　式中：ni——典型載荷譜（包括所有相關(guān)載荷情況）的第i級載荷的計算疲勞循環(huán)次數(shù)；
　　Si——與第i級載荷計算循環(huán)次數(shù)相對應(yīng)的應(yīng)力（或應(yīng)變），包括平均應(yīng)力和循環(huán)順序的影響；
　　N——疲勞破壞循環(huán)次數(shù)，它是以應(yīng)力為自變量的函數(shù)（如典型S-N曲線）；
　　γm，γn，γf——分別為相應(yīng)的材料局部安全系數(shù)、破壞后果局部安全系數(shù)和載荷安全系數(shù)。
　　γm，γn，γf可以在文獻[2]中查到其取值、計算的相關(guān)內(nèi)容，對于本文研究的扭力臂來說γm取1.1、γn取1.15、γf取1.0�？萍颊撐�，AWB。
　　5.4載荷譜
　　
　　圖9 扭矩載荷譜
　　扭力臂所受的各個載荷又分為靜載荷和動載荷。我們在進行疲勞壽命計算時需要考慮由于內(nèi)齒傳遞來的扭矩的載荷譜。圖9是廠家提供的該扭矩的載荷譜，扭力臂在20年的工作時間內(nèi)需要再循環(huán)476570次該載荷譜所代表的時間長度。注意，載荷譜中最大的數(shù)值為1，是因為該載荷譜的數(shù)值是實時傳遞的扭矩與滿功率狀態(tài)下傳遞的扭矩的比值。
　　5.5 疲勞壽命計算
　　
　　圖10 疲勞分析的相關(guān)參數(shù)
　　在進行疲勞分析前，我們需要對前文找到的應(yīng)力集中處細分網(wǎng)格，并將之前所計算得出的疲勞分析相關(guān)數(shù)據(jù)輸入置AWB中，按照AWB>DS>Solution>FatigueTool的步驟，打開Details of “FatigueTool”工具欄，如圖10所示。
在Loading>Type選項中，選擇“History Date”（載荷譜）并導(dǎo)入載荷譜，在Options>Analysis Type選項中選擇“Stress Life”（應(yīng)力-壽命），Options>StressComponent選項中選擇“Equivalent（Von Mises）”（平均應(yīng)力）選項。
　　 由于載荷包括靜載荷與隨機載荷兩種，本文采用非線性計算。設(shè)置兩個加載環(huán)境，環(huán)境1中為靜載荷，環(huán)境2中為隨機載荷，之后采用Solution Combination將二者的結(jié)果綜合成扭力臂的實際受載情況，得出扭力臂在復(fù)合載荷下的疲勞壽命。
　　5.6疲勞分析結(jié)果
　　安全系數(shù)的定義是零件或構(gòu)件的失效應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力的比值。扭力臂疲勞壽命的評估標準是看它的安全系數(shù)是否大于的相關(guān)規(guī)定許用的安全系數(shù)。
　　

表2疲勞驗證用的局部安全系數(shù)γM
　　許用安全系數(shù)需要考慮γm，γn，γf和γM，γM是疲勞驗證用的局部安全系數(shù)，它的取值根據(jù)表2�？紤]最差的條件——定期檢測維護，可達性差的條件下，許用安全系數(shù)為γf×γm×γn×γM≈1.58。
　　
　　圖11扭力臂的安全系數(shù)
　　扭力臂上各個位置的安全系數(shù)如圖11所示，最小的安全系數(shù)出現(xiàn)的位置與最小壽命出現(xiàn)的位置一致 ，大小為2.241。安全系數(shù)大于1.58，說明扭力臂在設(shè)計壽命下是安全的，符合正常運行20年的要求。
　　4 結(jié)論與展望
　　本文通過有限元法對某發(fā)電機齒輪箱的扭力臂進行了疲勞壽命分析。通過疲勞壽命分析，找出了扭力臂上各個部分安全系數(shù)的不同分布，證明了其疲勞壽命符合相關(guān)規(guī)定。本文的方法也可以用于其它零件的開發(fā)階段，有利于提高產(chǎn)品設(shè)計的一次通過率，降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期。

參考文獻
1科標工作室.國內(nèi)外金屬材料手冊.南京:江蘇科技出版社,2005
2中國船級社.風力發(fā)電機組規(guī)范.北京:人民交通出版社,2003
3趙少汴,王忠保.抗疲勞設(shè)計——方法與數(shù)據(jù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994
4徐瀾.疲勞強度[M].北京:高等教育出版社,1988
5王彥偉,羅繼偉,葉軍,陳立平.基于有限元的疲勞分析方法及實踐.機械設(shè)計與制造,2008,1,22-24