风电机组中关键零部件的疲劳分析及应用

【摘要】：近十几年来，随着矿物能源的枯竭，作为清洁能源的风电得到越来越多的重视。全球风力发电产业的不断发展，使得风电机组中的一些问题不断暴露出来。在过去十几年国内外发生的上百起风电事故中，很大部分的风电事故是由于疲劳破坏导致的。我国风电机组生产企业由于缺乏相应的技术，因此在疲劳分析方面不太重视。准确的分析风电机组中关键零部件的疲劳损伤，对提高我国风电机组的设计水平和制造能力有着重要意义。 在国家科技支撑计划项目“5.0MW双馈式变速恒频近海风电机组整机设计集成及示范”（项目编号：2009BAA22B02）的资助下，论文提出了“风电机组中关键零部件的疲劳分析及应用的研究”课题。在结合国内某著名风电机组生产商所生产的某MW级双馈式变速恒频近海风电机组的疲劳校核基础上，基于德国劳埃德船级社（GL）风电机组认证规范，分析了风电机组中的关键零部件主轴及螺栓的疲劳损伤，提出了一种具有工程实用价值的疲劳分析方法，论文主要研究内容如下： ①详细介绍了疲劳分析的基本知识，包括金属疲劳破坏的机理、疲劳的测定方法以及影响零件疲劳的各种因素，并且指出了在实际设计生产时，如何提高零件的疲劳寿命，为后续的关键零部件疲劳分析打下了基础。 ②提出了风电机组疲劳失效分析的可行性方法。通过对目前较常见的几类疲劳损伤模型的论述以及常见疲劳累积损伤理论的比较，得出最适合风电机组关键零部件多轴疲劳失效分析的方法；结合Bladed软件仿真得到的疲劳载荷时间历程，提出利用改进的雨流计数法处理，得到疲劳载荷谱，为后续的零部件疲劳分析提供了输入数据。 ③对主轴疲劳寿命进行了分析。基于Palmgren-Miner线性累计损伤理论，利用建立的主轴有限元模型，将仿真得到的疲劳载荷谱以及主轴材料属性加载到该模型上，计算出了主轴在疲劳载荷作用下的疲劳损伤，为此类零件的疲劳分析提供了比较实用的分析方法。 ④对风电机组中地基预埋件连接高强度螺栓进行了系统的分析，利用Schmidt/Neuper螺栓疲劳计算模型，计算出实际工况下螺栓的疲劳损伤。为风电机组中螺栓的选择与校核提供了参考依据。 【关键词】：风电机组 多轴疲劳 雨流计数法 风电机组主轴 高强度螺栓
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究的背景9-11
• 1.2 国内外风电机组疲劳研究综述11-13
• 1.2.1 国外疲劳技术研究现状11-12
• 1.2.2 国内疲劳技术研究现状12-13
• 1.3 论文研究的意义与主要内容13-15
• 1.3.1 论文研究的意义13-14
• 1.3.2 论文研究的主要内容14-15
• 2 疲劳分析基础15-27
• 2.1 金属的疲劳破坏15-18
• 2.1.1 疲劳定义及分类15-16
• 2.1.2 疲劳破坏机理16-18
• 2.2 材料的 S-N 曲线及 P-S-N 曲线18-21
• 2.2.1 材料的 S-N 曲线18-20
• 2.2.2 材料的 P-S-N 曲线20-21
• 2.3 影响零件疲劳的因素21-23
• 2.3.1 尺寸形状因素21-22
• 2.3.2 表面处理的影响22-23
• 2.3.3 载荷的影响23
• 2.4 疲劳试验方法23-26
• 2.4.1 材料疲劳性能试验方法23-25
• 2.4.2 机械零件疲劳试验方法25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 3 疲劳分析理论27-43
• 3.1 多轴疲劳损伤模型27-29
• 3.1.1 基于应力（应变）的疲劳破坏准则27-28
• 3.1.2 循环塑性功的疲劳破坏理论28
• 3.1.3 临界面法28-29
• 3.2 疲劳累积损伤理论29-34
• 3.2.1 Palmgren-Miner 线性累积损伤理论30-31
• 3.2.2 Corten-Dolan 理论31-33
• 3.2.3 Manson 理论33-34
• 3.3 疲劳工况34-36
• 3.4 疲劳载荷谱36-37
• 3.5 雨流计数法37-42
• 3.5.1 计数法38
• 3.5.2 雨流计数法基本原理38-39
• 3.5.3 改进的雨流计数法39-42
• 3.6 本章小结42-43
• 4 风电机组主轴疲劳分析43-61
• 4.1 主轴疲劳分析应力计算43-52
• 4.1.1 主轴几何模型43-45
• 4.1.2 主轴有限元模型45-48
• 4.1.3 主轴疲劳应力计算48-52
• 4.2 S-N 曲线的修正52-55
• 4.3 载荷谱设置及计算结果55-59
• 4.3.1 疲劳载荷谱55-56
• 4.3.2 疲劳分析结果56-59
• 4.4 本章小结59-61
• 5 螺栓疲劳强度分析61-71
• 5.1 螺栓疲劳分析理论61
• 5.2 螺栓疲劳分析方法61-67
• 5.2.1 螺栓-法兰刚度61-62
• 5.2.2 法兰有效面积 Aers62-64
• 5.2.3 载荷-螺栓应力曲线64-67
• 5.3 螺栓疲劳分析结果67-69
• 5.4 本章小结69-71
• 6 结论与展望71-73
• 6.1 主要结论71-72
• 6.2 工作展望72-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-79
• 附录79-81
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录79
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录79
• C. 疲劳试验国家标准79-80
• D. 美国试验与材料协会（ASTM）关于疲劳试验标准80-81

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