本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组主机架强度有限元计算方法。
背景技术：
近年来，随着国家能源结构的调整及风力发电技术的高速发展，单台机组的功率随之不断增大，相应的机组运行环境更加复杂，所受载荷逐步增大且更加复杂，机组的设计重量不断增加，各个部件在满足外载的同时也增加了自身重量对机组的影响，因此，目前结构的优化及材料利用率的提高是机组设计的重点与难点。主机架是风力发电机组的主要承力部件，支撑着风轮总成、齿轮箱、发电机、传动系统、偏航系统等主要部件。主机架的合理设计及可靠质量是保证风力发电机组正常运行的关键因素，然而主机架的结构设计是机组设计的难点，分析主机架的强度对主机架的设计及优化至关重要。随着有限元仿真技术的发展，目前主机架设计及优化过程基本均采用有限元分析方法，此方法不仅极大的缩短机组的研发周期，提高产品性能，且减少了设计成本。在采用有限元分析方法进行强度分析时，模型、连接形式及受力关系的简化，对准确计算部件应力应变分布，从而指导结构优化设计至关重要。
然而，由于主机架的受力复杂，连接部件较多，目前进行强度分析，较多细节简化不能真实反映结构的受力与传力形式，从而可能导致主机架强度计算结果与实际结构应力应变分布及状态有较大差异，计算结果误差较大，往往导致制造出来的产品材料利用率较低或不能达到预期要求。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种风力发电机组主机架强度有限元计算方法，基于有限元分析理论及分析平台，从载荷传递及结构受力出发，完整的建立了主机架强度分析模型，在现有分析方法的基础之上，对偏航制动器及偏航电机的模拟，给出了一种更为合理的简化方式，从而获得主机架更为精确的应力应变分布。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种风力发电机组主机架强度有限元计算方法，包括：
通过对载荷及结构受力形式的分析，确定传力路径上的受力部件，建立三维模型，形成完整装配体；
对主机架及所述受力部件进行特征简化及结构离散，形成有限元网格模型，并分别设置所述受力部件的材料属性；
对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化，模拟偏航制动器及偏航电机；
对所述有限元网格模型施加预定的极限工况载荷和边界条件，形成完整的主机架强度分析有限元模型；
根据所述主机架强度分析有限元模型获得主机架的应力应变状态；
其中，所述受力部件包括主轴、主轴承、轴承座、塔筒、塔顶法兰、齿轮箱支座、偏航制动盘、偏航制动器、偏航轴承。
在一个具体实施例中，对主机架及所述受力部件进行特征简化及结构离散，包括：
主轴与主轴承建立绑定约束、主轴承与轴承座建立绑定约束、轴承座与主机架建立绑定约束、齿轮箱支座与主机架建立绑定约束、偏航轴承与主机架建立绑定约束、偏航制动器与主机架建立绑定约束。
在一个具体实施例中，对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化，模拟偏航制动器的方法包括：
在偏航制动器与上偏航摩擦片间建立两个节点，其中一个节点与偏航制动器采用MPC连接，另一个节点与上偏航摩擦片采用MPC连接，同时在这两个节点间建立连接单元Translater；在偏航制动器与下偏航摩擦片间建立两个节点，其中一个节点与偏航制动器采用MPC连接，另一个节点与下偏航摩擦片采用MPC连接，同时在这两个节点间建立连接单元Translater；
在所述上偏航摩擦片、所述下偏航摩擦片与所述偏航制动盘间建立接触关系并设置相应的额定摩擦系数，并分别在所述上偏航摩擦片的上表面与所述下偏航摩擦片的下表面施加额定工作压力，模拟活塞的制动压力。
在一个具体实施例中，对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化，模拟偏航电机的方法包括：
分别在每个偏航电机安装孔的中心建立一个中心节点，安装孔内的节点与中心节点间采用Beam连接；分别在每个偏航电机的偏航小齿水平中心建立一个节点，并与偏航轴承上与偏航电机的偏航小齿啮合部位的垂直方向的一列节点采用MPC连接。
在一个具体实施例中，对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化时，对主轴承与偏航轴承的滚子模拟方法包括：按照滚子数目，在对应位置采用只受压的Gap单元进行模拟。
在一个具体实施例中，对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化时，对主轴与齿轮箱支座的连接模拟方法包括：在两侧齿轮箱支座中心建立一个节点，分别与主轴安装端面及两侧齿轮箱支座采用MPC连接。
在一个具体实施例中，对所述有限元网格模型施加预定的极限工况载荷包括：
施加轮毂中心不同工况的极限载荷，在轮毂中心建立节点，在该节点上施加载荷，采用MPC将此点与主轴法兰端面节点连接。
在一个具体实施例中，对所述有限元网格模型施加边界条件包括：在塔筒底部全约束。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的风力发电机组主机架强度计算方法解决了现有技术对局部细节的简化与实际结构的受力与传力形式偏差较大的问题，本发明进行了更接近实际的考虑，主要体现在偏航制动器与偏航制动盘的相互作用关系的简化，偏航电机与偏航轴承的关系简化。此外，还对主轴承、偏航轴承的简化，载荷的施加、边界条件进行了对应处理，进一步完善主机架强度分析有限元模型，从而降低由于模型简化引入的计算误差，获取了更加准确的计算结果，为主机架精细化设计与优化，提供计算依据的同时提高了设计效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种风力发电机组主机架强度有限元计算方法流程图；
图2为本发明风力发电机组主机架强度分析整体模型示意图；
图3为本发明主轴承与偏航轴承模拟方法示意图；
图4为本发明偏航电机模拟方法示意图；
图5为本发明偏航制动系统模拟方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种风力发电机组主机架强度有限元计算方法流程图，包括：
通过对载荷及结构受力形式的分析，确定传力路径上的受力部件，建立三维模型，形成完整装配体；
对主机架及所述受力部件进行特征简化及结构离散，形成有限元网格模型，并分别设置所述受力部件的材料属性；
对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化，模拟偏航制动器及偏航电机；
对所述有限元网格模型施加预定的极限工况载荷和边界条件，形成完整的主机架强度分析有限元模型；
根据所述主机架强度分析有限元模型获得主机架的应力应变状态；
其中，所述受力部件包括主轴1、主轴承2、轴承座3、齿轮箱支座5、偏航制动盘7、偏航制动器6、偏航轴承8、塔顶法兰9、塔筒10。
本发明的风力发电机组主机架强度计算方法解决了现有技术对局部细节的简化与实际结构的受力与传力形式偏差较大的问题，本发明进行了更接近实际的考虑，主要体现在偏航制动器与偏航制动盘的相互作用关系的简化，偏航电机与偏航轴承的关系简化。此外，还对主轴承、偏航轴承的简化，载荷的施加、边界条件的设置进行了对应处理，进一步完善主机架强度分析有限元模型，从而降低由于模型简化引入的计算误差，获取了更加准确的计算结果，为主机架精细化设计与优化，提供计算依据的同时提高了设计效率。
在具体实施时，参看图2-图5，图2为本发明风力发电机组主机架强度分析整体模型示意图，图3为本发明主轴承与偏航轴承模拟方法示意图，图4为本发明偏航电机模拟方法示意图，图5为本发明偏航制动系统模拟方法示意图，首先使用三维建模软件分别建立，主轴1、主轴承2、轴承座3、主机架4、齿轮箱支座5、偏航制动器6、偏航制动盘7、偏航轴承8、塔筒上端法兰9、塔筒10、上偏航摩擦片11和下偏航摩擦片12的三维数模并进行装配。装配完成的模型导入有限元分析软件中分别进行网格离散，建立网格模型，同时分别对各部件设置材料属性。
在一个具体实施例中，接着简化部件间的连接关系，考虑实际的连接及传力形式，对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化，包括：
主轴1与主轴承2建立绑定约束、主轴承2与轴承座3建立绑定约束、轴承座3与主机架4建立绑定约束、齿轮箱支座5与主机架4建立绑定约束、偏航轴承8与主机架4建立绑定约束、偏航制动器6与主机架4建立绑定约束。
其次，对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化，模拟偏航制动器的方法包括：
在偏航制动器6与上偏航摩擦片11间建立两个节点203和204，其中一个节点203与偏航制动器6采用MPC(多点约束)106连接，另一个节点204与上偏航摩擦片11采用MPC 107连接，同时在这两个节点间建立连接单元Translater(连接单元)301；下偏航摩擦片12与偏航制动器6间建立与上述上偏航摩擦片11同样的连接关系，在偏航制动器与下偏航摩擦片间建立两个节点，其中一个节点与偏航制动器采用MPC连接，另一个节点与下偏航摩擦片采用MPC连接，同时在这两个节点间建立连接单元Translater；
在所述上偏航摩擦片11、所述下偏航摩擦片12与所述偏航制动盘7间建立接触关系并设置相应的额定摩擦系数，并分别在所述上偏航摩擦片11的上表面与所述下偏航摩擦片12的下表面施加额定工作压力，模拟活塞的制动压力。
对主机架及所述受力部件间的连接关系进行简化，模拟偏航电机的方法包括：
分别在每个偏航电机安装孔的中心建立一个中心节点205，安装孔内的节点与中心节点205间采用Beam(梁单元)连接；分别在每个偏航电机的偏航小齿水平中心建立一个节点206，并与偏航轴承8上与偏航电机的偏航小齿啮合部位的垂直方向的一列节点采用MPC 105连接。在节点205与节点206间建立Beam连接，Beam的截面属性参考实际偏航电转轴参数。
对主轴承与偏航轴承的滚子模拟方法包括：按照滚子数目，在对应位置采用只受压的Gap(接触单元)103、104单元进行模拟。
对主轴与齿轮箱支座的连接模拟方法包括：在两侧齿轮箱支座中心建立一个节点202，分别与主轴安装端面及两侧齿轮箱支座采用MPC 102连接。
对所述有限元网格模型施加预定的极限工况载荷包括：
在轮毂固定坐标系下施加轮毂中心载荷。如图2所示，在轮毂中心建立节点201，在该节点201上施加载荷，采用MPC 101连接将此点与主轴法兰端面节点连接，形成载荷伞。
对所述有限元网格模型施加边界条件包括：在塔筒401底部全约束。
分别检查网格模型、材料、连接性、载荷及边界的正确性。最后提交有限元分析求解器，进行不同工况的求解计算，获取主机架的应力分布，考核结构是否满足设计要求，并对主机架的设计优化提供指导。
本实施例的方案彻底更新了现有的偏航制动器的模拟方法，使模拟效果更能反映实际情况，现有技术的模拟方法大多都有很大程度的简化，偏航制动片与偏航制动盘间绑定约束，并且不考虑偏航制动器的工作压力，致使偏航制动器与偏航制动盘的传力及约束方式与实际有较大误差。本发明中，考虑了结构的实际受力与传力形式，在偏航制动片与偏航制动盘间建立接触关系，并设置额定摩擦系数，偏航制动片上施加额定制动压力，偏航制动器与偏航制动片间建立仅可垂直方向运动的连接关系，较为真实的模拟了制动器的工作状态，从而能够获取主机架更为真实的应力状态。
此外，本发明增加了偏航电机的模拟，考虑到偏航电机在机组偏航制动时，提供一定的制动力矩，但制动力矩的大小，随载荷的大小会发生变化，因此在主机架偏航电机安装孔及偏航轴承间通过Beam与MPC建立连接，模拟偏航电机的制动状态，更为真实的反映了偏航电机的实际情况，为准确获取主机架应力分布提供支撑。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。