风机叶片根端连接的有限元分析

3.1  有限元模型

 
图2  叶片根端连接有限元模型

　　由于叶片根端连接模型、载荷及边界条件的对称性，这里我们取半个根端连接结构作为研究对象建立有限元模型如图2所示。叶片根端通过T型螺栓与轴承内环螺圈连接，轴承的外环螺圈施加固定约束。对每个T型螺栓施加300kN的预紧力，叶片上施加极限叶根弯矩2680 kNm及轴向力125kN。同时在叶片剖面上施加对称边界条件，在叶片根端、T型螺栓、轴承以及轴承内滚珠相互之间的接触面采用接触单元，选择合适的网格密度划分模型，设置时间步长控制计算的收敛性，进行非线性结构分析。
　　3.2  玻璃钢强度分析
　　由于对称性取半个叶片根端结构作为模型，沿着叶片中心圆周线方向，通过壳体内横向孔与孔内柱状螺母的挤压接触，再由钢螺柱与轴承的连接，将叶片上的荷载通过T型螺栓传递给轴承。因此叶片根端横向孔间的玻璃钢，横向孔与孔内柱状螺母的挤压接触面是发生应力集中的重要部位，是叶片根端强度校核的关键区域。根据建立的半个叶片根端连接结构有限元模型，施加荷载并进行非线性结构分析，求解得到叶片根端玻璃钢的应力分布结果。图3所示为叶片根端玻璃钢应力云图，可以看出在远离孔边的叶根玻璃钢应力比较小，数值一般为30MPa左右。但是靠近孔边的玻璃钢应力较大，产生了应力集中现象，最大应力为163.7MPa，最小应力为-140.6MPa。现沿着叶片圆周线将半个叶片从0到180度划分，并依次对横向孔间叶片及横向孔与柱状螺母接触面正应力求解。如图4所示，沿着圆周线方向横向孔间叶片正应力基本成线性变化，从拉应力变为压应力，最大拉压力为150MPa，最小压应力为-50MPa。而横向孔与柱状螺母接触面正应力为压应力，沿圆周线方向基本保持不变，约为-100MPa左右。由此可见，叶片在风载荷作用下，最大拉压力发生在叶片根端横向孔间的玻璃钢上，最大压应力发生在叶根横向孔与柱状螺母接触面处，并且强度满足玻璃钢材料许用应力要求。
 

　　3.3  T型螺栓强度分析
　　对于T型螺栓连接结构，叶根失效多发生于螺栓而非玻璃钢部分，因此叶根连接螺栓的强度分析也十分重要[5,8]。半叶片根端结构含有27个螺栓，其应力结果如图5所示，钢螺柱的应力为拉应力，数值范围为658—809MPa，满足T型螺栓材料42CrMo钢的许用应力要求。图6为对应的钢螺柱轴力图，其轴力数值从345kN减小到255kN，基本成线性变化。

　　4  结  论
　　本文采用ANSYS软件对叶片根端连接部分进行有限元分析，确定了叶根玻璃钢部分发生应力集中现象的区域并进行了强度分析，满足玻璃钢材料的许用应力要求。同时对T型连接螺栓进行强度分析，确定了螺栓应力的变化范围，满足螺栓材料42 CrMo钢的许用应力要求，为叶片根端连接的设计、优化及选材提供有效的依据及指导。