风电机座焊接残余应力的试验研究及数值模拟预测

【摘要】：随着煤炭石油等不可再生传统能源渐渐匮乏，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，我国新能源战略也开始把大力发展风电做为重点，从而推进了大型风电基地的建设。大型风力发电机特别是兆瓦级风力发电机的出现，对发电机构件的强度要求越来越高，其中焊缝的质量直接影响着构件的强度。因此，有必要研究构件中焊接残余应力的分布规律和应力大小，从而采取相应的对策，以减小或消除构件中的焊接残余应力。 为了掌握大型风力发电机机座焊缝焊接残余应力的具体分布情况，本文用盲孔法对风力发电机机座的三处焊缝进行测试，分别是机座圆筒体焊缝（焊缝1）、端板拼接焊（焊缝2）和端板与圆筒体焊缝（焊缝3），贴片打孔后得到各测试点的应变值，再通过相关的力学公式求得这些点的应力值。 然后，运用MSC.Marc软件的焊接分析模块，通过焊接热源的选取分析、焊接材料在各个温度下的力学性能分析、焊料传热分析、边界条件分析和收敛判据的设定等等，对机座多道焊焊接接头进行了有限元模拟分析，得到了焊接温度场、焊接变形量和焊后残余应力的分布状态。 最后，把基于盲孔法测得的焊接残余应力值和数值模拟得到的计算结果进行对比分析，还比较讨论了机座热处理前后的残余应力。结果发现机座焊缝中心处的应力值较大，且为正值，随着远离焊缝中心，应力值逐渐降低，最后趋于零，焊缝3比焊缝1应力值波动明显。有限元计算结果与试验结果具有较好的重合性，可作为风力发电机中焊接结构的设计参考。机座进行退火后，应力消除效果较好，满足工程需求。 【关键词】：风力发电机机座 焊接残余应力 多道焊 有限元模拟 盲孔法
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TG404
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 符号术语表7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 本课题的研究背景及意义11-12
• 1.2 风电技术的国内外发展现状12-14
• 1.2.1 风力发电技术发展简介12-13
• 1.2.2 风力发电机机座的研究状况13-14
• 1.3 焊接残余应力的测量方法14-15
• 1.4 本课题研究的主要内容15-16
• 第2章 风电机座焊接残余应力的实验测定16-26
• 2.1 焊接残余应力的测量原理16-18
• 2.2 试验测试方案18-24
• 2.3 试验结果24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 风电机座焊接残余应力的数值模拟26-42
• 3.1 基本控制方程26-30
• 3.1.1 热传导问题的基本控制方程26-27
• 3.1.2 热传导问题的有限元描述27-28
• 3.1.3 热应力问题的有限元描述28-29
• 3.1.4 弹塑性有限元方程的基本解法29-30
• 3.2 焊接模拟的建模方法30-41
• 3.2.1 求解计算过程30
• 3.2.2 焊接材料的属性30-32
• 3.2.3 焊接热源模型32-34
• 3.2.4 焊接技术要求34-35
• 3.2.5 有限元模型35-36
• 3.2.6 焊接路径的定义与焊缝材料的填充36-37
• 3.2.7 焊接边界条件的设置37-39
• 3.2.8 工况的定义39-41
• 3.3 本章小结41-42
• 第4章 数值模拟结果及试验结果对比分析42-51
• 4.1 焊接温度场模拟结果42-44
• 4.2 模型焊接后的变形情况44-46
• 4.3 模型焊接后的残余应力情况46-47
• 4.4 分析与对比47-50
• 4.5 风电机座焊缝设计建议50-51
• 总结与展望51-53
• 全文总结51-52
• 工作展望52-53
• 参考文献53-56
• 致谢56-57
• 附录（攻读学位期间发表的学术论文及获奖情况）57

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