不同工况下螺栓连接梁有限元仿真分析与强度校核研究

为研究螺栓连接梁在不同危险工况下的结构强度及安全性,本文采用了仿真和理论相结合的方法,对受偏心载荷的螺栓连接梁危险工况进行综合分析。并针对仿真结果中应力较大的螺栓部分采用了建立子模型的方法进一步仿真分析,以确保横梁结构安全可靠。使用了力线平移定理对横梁所受载荷进行简化,并对横梁进行强度校核。研究结果表明：（1）横梁在危险工况下各结构均满足强度要求,且不同危险工况对横梁结构的变形及应力影响较小;（2）螺栓预紧力是导致螺栓结构产生较大应力的原因,而外载荷对螺栓结构的影响较小;（3）在忽略螺栓结构对横梁结构的影响后,横梁强度校核结果与仿真结果近似相同,且均满足材料的强度要求。综上所述,通过仿真分析及理论强度校核均可证明该螺栓连接梁在各工况下均能满足强度需求。同时该研究也为后续研究该类型横梁提供一定的仿真及理论依据。     

可控减速法设计离心风机两元叶片的研究

提出采用可控减速法设计离心风机两元叶片,即通过三维黏性流场计算,采用正交试验设计方法,以确定流道内平均速度的减速规律和叶片型线.在满足原有的气动设计点参数和不改变风机轮盖和轮盘几何尺寸的前提下,对某高效离心风机叶片型线进行了重新设计.整机全工况数值计算表明,优化后的风机效率在绝大部分工况范围内都明显提高,压力在设计和小流量工况时也比原风机高,而且大大避免了原风机的过载导致烧毁电机的问题.设计工况详细的流场分析表明,优化设计风机的叶轮流道内静压分布更加均匀,消除了分离损失,说明该方法是风机叶片优化设计的可靠和快速方法.     

面向结合面密封性能要求的装配连接工艺设计

为在产品设计阶段规划出满足密封性能要求的装配连接工艺,提出了一种面向结合面密封性能要求的装配连接工艺数字化设计方法.采用接触非线性有限元技术和弹性相互作用理论建立了螺栓组连接有限元模型,研究了螺栓预紧顺序、预紧力水平与结合面连接性能间的关系,构建了各螺栓预紧力大小与结合面压力间的关联模型,进而利用该关联模型,根据工况载荷下设备对密封性能的要求反求装配连接工艺.以发动机缸体缸盖装配连接为例,建立了发动机曲柄连杆机构动力学模型,分析了其工况载荷,并在缸体、缸盖和缸垫有限元模型的基础上,确定出工况载荷下发动机密封性能对结合面压力分布的要求,最后利用螺栓组连接与结合面压力间的关联模型反求出各螺栓预紧力的大小,通过与该型发动机已有装配连接工艺对比,验证了该设计方法的可行性.     

42 CrMoA高强连接螺栓材料与断裂特征

42CrMoA高强连接螺栓广泛用于风机叶片与轮毂的连接,风机叶片结构复杂性和运行波动性导致载荷复杂交变,长时间交变载荷会造成叶片连接螺栓高频疲劳损伤,螺栓的疲劳失效断裂是风机安全运行急需解决重要问题。以某2 MW风力机叶片42CrMoA高强连接螺栓材料为研究对象,利用PLG-50高频疲劳试验机开展不同加载条件下螺栓材料高频疲劳实验研究。研究结果表明,650 MPa载荷下6.444 9×10~6周次后试样尚未断裂,750 MPa载荷下的试样疲劳寿命达1.056 4×10~6周次;疲劳损伤具有多疲劳裂纹起源区特征,试样断裂是由于多源裂纹交汇后形成峰线所导致;在相同的最大应力加载下,应力振幅越高,裂纹扩展速率越大,高频疲劳寿命越低。研究结果对揭示风机螺栓损伤断裂原因和风机安全运行具有重要意义。     

城轨车辆车钩螺栓连接仿真及强度分析

采用整体建模的方法,建立城轨车辆车钩螺栓连接有限元非线性接触模型进行强度分析,仿真分析结果表明,螺栓螺纹部分最大应力与理论计算结果吻合,有限元仿真模型能真实模拟螺栓连接;提取极限载荷下螺栓的轴向拉力,运用VDI 2230—2003标准对螺栓的拉伸强度进行分析,并和传统机械设计方法的螺栓强度分析结果进行比较,两种方法的螺栓拉伸强度均满足要求,为车钩螺栓连接设计提供了理论依据.     

风机叶片维修平台的力学性能分析及优化设计

目的分析风机叶片维修平台的力学性能,对其进行优化调整,解决供能设备未来维修风险问题.方法应用Solidworks软件建立风机叶片维修平台的三维模型,并将模型导入到ANSYS Workbench中建立有限元模型,在额定载荷、额定偏载和超载三种工况下进行静力学分析,对平台的刚度、强度进行校核;应用ANSYS Workbench中的拓扑优化模块进行优化;在Solidworks中对拓扑优化结果进行调整,得到最终设计方案.提取平台的前6阶模态,得到其固有频率及振型图.结果经过对模型的优化,在三种工况下平台的最大变形为1.61 mm,最大等效应力为110.65 MPa,满足设计要求.模态的提取为避免结构共振提供了理论依据.结论所设计的风机叶片维修平台安全可靠、拆装方便、便于转场运输,有较强的可用性;通过对所设计的平台进行优化设计及静力学验证,在比原始模型减重24.2%的情况下满足设计要求,为相关产品的设计提供了参考依据.     

基于ABAQUS的风力机塔筒螺栓连接接触非线性分析

ABAQUS是先进的大型通用非线性有限元分析软件,求解非线性问题时具有非常明显的优势。采用ABAQUS软件对风力机塔筒高强度螺栓连接进行了接触非线性分析,模拟了螺栓连接在预拉力以及加载极限载荷后两种工况下的静力学性能,得到了螺栓与法兰等结构的等效应力云图与位移云图。计算结果表明:塔筒螺栓连接结构的应力主要受预紧力影响。加载极限载荷后,螺栓最大应力增大17%,最大位移增大约两倍。结果证明塔筒底部螺栓连接的强度与刚度满足设计要求,为风力机组的结构设计提供了理论依据。     

轮式车辆变速箱换挡拨叉断裂的累积损伤研究

以轮式车辆变速箱换挡拨叉为研究对象,寻找拨叉在使用过程中突然断裂的原因和理论依据. 从材料学角度观察断口形貌,确定拨叉是由于疲劳损伤而断裂;利用非线性有限元分析软件MSC Marc和疲劳分析软件MSC Fatigue对拨叉在理论设计换挡载荷1350N工况下进行校核,强度和寿命满足设计要求. 对不同换挡力工况拨叉受力状态和使用寿命进行仿真计算,根据Miner疲劳累积损伤理论和拨叉使用时间推断,拨叉实际承受换挡载荷应在1400～1800N之间,超出设计载荷,则会由于累积损伤导致疲劳断裂.     

仿鸟翼厚度分布特征叶片的贯流风机气动性能研究

为提升空调器用贯流风机的气动性能,降低风机功耗,受鸟类翼型结构启发,研究了仿生翼型设计对贯流风机气动性能的影响。首先分别提取具有优良气动性能的长耳鸮和海鸥翅膀展向40%处截面翼型进行仿生逆向重构,基于鸟翼厚度分布特征进行贯流风机叶片仿生设计,考虑到叶片强度和工艺条件的影响,针对设计的仿生翼型叶片进行了改型设计并应用于贯流风机中。然后采用数值模拟研究了两种仿鸟翼叶片对贯流风机内流场结构及其气动性能的影响。最后针对贯流风机的气动性能进行实验测量,验证仿生叶片设计对提升贯流风机气动性能的有效性。研究结果表明：两种仿鸟翼叶片前缘形态均能有效抑制叶轮外缘分离涡,减少叶道进口侧阻塞;两种叶片对于内圆周进口侧附面层堆积形成的二次流均有改善作用,低转速下前缘厚度变化剧烈的长耳鸮仿生叶轮表现更明显;两种仿鸟翼叶片均能增强偏心涡强度,使叶片做功能力提升,出口流速增大,叶轮效率提升。选取性能较优的长耳鸮仿生叶轮进行实验研究,与原型机相比,不同工况下采用长耳鸮仿生叶轮的整机的加权风量提升29.6 m³·h^-1;相同风量条件下,整机功率降低了3.5%。     

航天回收用降落伞材料强度验证方法

为了使地面材料试验能够尽可能地模拟降落伞真实工作状态，改进降落伞的设计验证方法，根据降落伞实际应用工况开展了降落伞常用织物材料在疲劳载荷、双轴拉伸载荷和垂直平面载荷作用下的试验研究，提出了织物受垂直平面载荷作用的载荷计算方法。研究结果表明：疲劳载荷降低了降落伞常用织物材料锦纶的断裂伸长率，使拉伸断裂功变小，降低了织物的动载载荷承受能力；在双轴拉伸载荷作用下，2种降落伞常用的锦纶平纹织物材料的拉伸强度未出现与单轴拉伸强度有明显差异的现象；在垂直平面载荷作用下，锦纶织物的断裂强力小于材料标称断裂强力，强度损失最高约16%,试验结果可应用于降落伞强度设计系数计算中，以指导产品设计。     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结构能有效降低风力机的气动噪声,其中叶尖夹角为90°的双叉式叶尖结构降噪性能最优.     

覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性及其影响因素分析

为探究覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性,分析温度、湿度、风速、运行时间四个因素对覆冰叶片振动特性的影响,以1:12.5建立的实体风力机模型为研究对象,搭建旋转风力机叶片覆冰振动测试试验台,设计四因素三水平正交试验,采用环境激励(风激励)和多点拾振的方法进行模态测试。试验研究了不同覆冰状态下旋转风力机叶片的振动特性及其变化规律;以最大振动频率为评价指标,分析四个因素对覆冰风力机叶片振动特性的影响。结果表明:相同覆冰条件下,覆冰厚度不变,旋转风力机叶片振动频率由叶尖至叶根逐渐减小;覆冰位置不变,覆冰厚度增加,旋转风力机叶片振动频率逐渐降低;旋转风力机叶片运行环境温度和湿度变化对其振动频率的影响较大。为进一步分析覆冰条件下旋转风力机叶片的位移响应和振型变化,建立了风力机三维模型,利用ANSYS软件对其进行谐响应分析,分析结果显示不同覆冰状态下叶片振型变化无明显差异,覆冰厚度增加,叶片位移响应值明显增大。研究结果可为覆冰条件下风力机运维策略选择及叶片覆冰安全监测提供理论参考。     

大型风力机柔性叶片在运行工况下的内力分析

为了准确地模拟柔性叶片在运行工况下叶片危险截面的内力,进行叶片的强度与刚度分析,并考察叶片的振动对气动载荷与气弹响应的反馈,以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5 MW近海风力机为研究对象,建立了包含气动模型和系统的动力响应模型两部分的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。采用计算多体系统动力学理论,基于Roberson-Wittenburg建模方法,结合叶素动量理论,建立了柔性叶片的气弹耦合方程,实现了叶片的气弹耦合时域响应分析。算例计算了NREL的5 MW近海风力机在紊流风速作用下,叶片各截面的挥舞、摆振和扭转方向内力矩的时域响应。研究成果对于叶片强度与刚度校核与优化设计有重要的应用价值。     

升阻互补型垂直轴风轮的结构动态分析

为了避免风力发电机系统的共振而导致的系统损坏和噪音污染,并提高风力发电机叶片的耐用性与经济性,借助有限元计算方法,通过系统动态特性分析,得到了升阻互补型垂直轴风轮的动态特性及叶片的受力特性.结果显示,横梁是叶片支撑上容易出现危险的区域,其结构强度和抗疲劳度要求较高.在更换6根横梁的材料和尺寸之后,增加了其最大许用应力值,提高了风力发电机的安全系数,避免了风轮叶片支撑在低速旋转时频率游走于风轮第1,2阶固有频率之间的问题.升力型叶片受到近似于正弦函数的交变荷载,叶片表面主要受到拉应力的作用并且容易产生疲劳破坏.叶片在铺层时,增加0°纤维层的厚度可以使叶片抵抗更大的拉应力.     

风力机叶片断面的几何参数分析

针对风力机叶片内部的结构形式,采用薄壁结构力学多闭式理论,对某种风力机叶片结构进行简化和分析,建立几何模型,利用MATLAB进行编程计算,得到叶片断面的弯扭特性参数.分析结果表明,风力机叶片断面的扇性静矩分布并不均匀,在叶片断面头部的值较小,尾部的值较大,容易造成叶片后缘失稳.在风力机叶片结构设计时,要提高叶片后缘部分的设计参数,以满足叶片的结构强度、刚度及稳定性要求.     

风电机组叶片流固耦合的数值模拟方法

 以某5 MW 风电机组叶片模型为对象,研究一种适用于风电机组叶片流固耦合数值模拟的风轮旋转模拟方法。以风切变形式模拟风轮旋转及来流风速的综合效应,对叶片各截面翼型的扭角进行修正,建立风电机组叶片的风轮旋转模拟模型,利用有限元法模拟风电机组叶片的风洞流场实验,仿真模拟旋转效应下风电机组叶片的周围气压、绕流分布、表面压力及结构位移,并进行数据交叉迭代求解,得到风电机组叶片的流固耦合结果。与额定风速均匀来流条件下的初始模型计算结果和文献实验结果进行对比分析,验证了风轮旋转模拟方法的可行性。     

随机风作用下同塔四回输电杆塔安全性分析

针对蒙西地区220kV同塔四回路典型输电线路段,采用有限元方法模拟研究杆塔在随机风作用下的结构强度和疲劳寿命。利用ABAQUS有限元软件建立塔线耦合体系有限元模型,考虑蒙西地区地形特点,采用数值方法模拟生成随机风场,计算塔线体系的动力响应。根据计算结果确定杆塔的危险区域,建立该局部三维实体有限元模型,并与其他部分的杆梁模型组合为实体与杆梁混合模型。提取塔线体系在随机风作用下导地线挂点的支反力时程曲线,模拟实体与杆梁混合模型的动力响应。模拟研究了两种风速和不同螺栓预紧力情况下杆塔结构强度,并分析了随机风激励下杆塔的疲劳寿命。结果表明,螺栓的松弛对杆塔强度和疲劳寿命影响明显,可能是引起杆塔破坏的主要原因。     

MW级复合材料风电叶片的振动特性与应力分布

针对目前风电叶片有限元模型存在铺层不合理的问题,以某1.5 MW风电叶片为研究对象,利用Solidworks软件生成叶片三维模型;再将其导入大型有限元软件Abaqus中,按照叶片铺层理论进行分区域铺层,生成叶片有限元模型,使其更接近叶片的真实铺层状况;在有限元数值计算中,分析了叶片的振动特性以及在50 m/s的极限风速下的应力分布特征.结果表明,叶片模型在模态、强度、刚度三个方面均满足设计要求,叶片的危险截面位于距叶尖约13处,应力主要分布于叶片展向的13~23处,且主要承载结构为主梁和腹板.     

基于参数化建模的风力机叶片性能分析

针对现有850kW风力机叶片,分析其材料、结构及铺层状态,对比传统叶片有限元模型,将描述叶片主要结构的弦长、扭角采用分段函数形式表达,采用MATLAB编程并结合ANSYS二次开发建立风力机叶片参数化几何模型.基于动量-叶素理论的BLADED软件计算叶片各截面处的极限载荷,并于叶片分段施加载荷增量.动力学分析得到叶片前三阶挥舞和摆振频率及一阶扭转频率,其与实测固有频率比较,分析并验证叶片于共振区外运行.静力分析得到叶片挥舞位移及关键部位应力分布,通过最大应力准则和蔡-胡(Tsai-Wu)准则对翼面进行强度校核(其他部位同理校核),表明叶片在极限状态下仍能保持安全运行.该研究描绘了叶片主要力学性能,为叶片进一步优化奠定了基础.     

叶尖开孔对风力机流场的影响研究

以NREL Phase VI叶片的1/8缩比模型为研究对象,在叶片叶尖区域设计由前缘到叶尖端面的3个环形通气孔,改变叶尖流场分布.采用CFD的方法,通过转速变化分析叶尖表面的压力分布情况及其叶尖涡的发展过程,进而研究叶尖开孔对风力机叶尖涡的影响.研究结果表明:转速低于900 r/min时,叶尖开孔对叶片气动性能影响不大;而转速高于900 r/min时,叶尖开孔可降低涡核强度,加速叶尖涡耗散,提高叶片气动效率.从环形通气孔中喷射的气流对来流有明显的抑制作用,能够减小尾流区内的轴向速度.在加速叶尖涡的耗散和降低叶尖涡的强度方面,风力机叶尖处开孔在转速超过900 r/min以上时被视为一种比较有效的设计.