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風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。積極發(fā)展可再生能源，對增加能源供應(yīng)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，緩解環(huán)境污染，保障能源安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)和諧社會都起到重要的作用。
輪轂是將葉片和葉片組固定到轉(zhuǎn)動軸上的裝置，輪轂和葉片組之間通過變槳軸承連接，和主傳動軸之間通過法蘭連接。它將風(fēng)輪的力和力矩傳遞到主傳動機(jī)構(gòu)，是風(fēng)能與動能之間的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生氣動載荷，同時(shí)其慣性力、離心力和重力都會通過葉片根部傳遞至輪轂，加之其自身的重力和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在各種靜載荷和交變載荷的作用下，輪轂與葉片，與法蘭的連接處很容易引起應(yīng)力集中和疲勞破壞。另外，輪轂連接風(fēng)機(jī)主軸，其重量產(chǎn)生的彎矩通過主軸作用于塔筒，對塔筒的強(qiáng)度和壽命有很重要的影響。因此輪轂作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件，研究的問題在于如何改善輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減輕輪轂的重量對以提高風(fēng)電機(jī)組的整體性能。而難點(diǎn)在于既要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕了輪轂自重，而且要滿足輪轂材料的強(qiáng)度極限和壽命要求。
考慮到輪轂重載荷對整機(jī)強(qiáng)度和壽命所帶來的負(fù)面影響，前人做過采用變截面設(shè)計(jì)來減輕輪轂重量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即通過減少輪轂壁厚的方法達(dá)到減輕重量的目的。但該方案沒有進(jìn)行疲勞壽命分析，并且變截面設(shè)計(jì)會增加輪轂的加工難度，因此不宜實(shí)施。
本文針對前人方案沒有疲勞壽命分析和其加工困難的問題，以減輕輪轂自重為目標(biāo)，對風(fēng)機(jī)輪轂不僅進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，也進(jìn)行了疲勞壽命分析，通過對比分析多個(gè)計(jì)算結(jié)果得到最佳優(yōu)化方案，優(yōu)化方案在滿足強(qiáng)度和疲勞壽命要求的前提下，不僅減輕輪轂的自重，而且其最大應(yīng)力值比未優(yōu)化之前有所降低。從而提高了主軸、塔筒以及風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能，同時(shí)鉆孔設(shè)計(jì)簡單易實(shí)施，因而更具有實(shí)際生產(chǎn)的可行性。
在對輪轂優(yōu)化之前，首先要保證其己經(jīng)滿足強(qiáng)度要求并且有比較大的優(yōu)化空間，故需對其強(qiáng)度校核。而輪轂是大型鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體，體積重量大，結(jié)構(gòu)和載荷工況復(fù)雜，無法采用簡單的工程算法對其應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行精確的計(jì)算校核。有限元方法作為一種數(shù)值計(jì)算方法，不僅能夠大幅度提高計(jì)算精度，而且降低設(shè)計(jì)與制造成本、節(jié)省時(shí)間，被廣泛應(yīng)用在航空、機(jī)械等多個(gè)工程領(lǐng)域。
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