有限元大作业 - 图文

风电主轴承有限元分析

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摘要：基于有限元法在接触问题中的应用，对风电主轴承进行非线性分析。以轴承外圈的内表面和内圈的外表面为目标面，以滚子为接触面创建接触对分析滚子的接触应力情况。最大应力值出现在滚子边缘出，对最大承载滚子环向接触应力分析表明，有限元分析结果与理论计算结果相近，验证了利用有限元法分析风电主轴承应力状态的可行性。 关键词：风电主轴承；接触应力；有限元分析

0 引言

随着传统能源的日益枯竭以及环境污染问题愈发严重，风能作为一种清洁的的可再生能源近些年受到越来越多的关注。风力发电技术已广泛运用于世界各地。一些发达国家风力发电产业已得到了迅猛发展，技术日趋成熟，并开始走向产业化规模化发展阶段[1-3]。

风电主轴承是风力发电机重要的组成部分。其结构形式图下图1所示。据统计，如今安装的所有风力发电机中，采用主轴轴承支撑原理的占总数的75-80％[4]，这种支撑是轴承内圈安装在旋转的主轴上，外圈固定在单独的轴承座上，相对于圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承来说，主轴轴承位置处轴产生变形，需要轴承具有一定的调心作用，所以都采用了调心滚子轴承。近年来由于计算机技术的飞速发展，轴承的受力分析计算已经普遍采用有限元分析的方法，能够准确合理地解决轴承复杂的非线性接触问题，为轴承的分析和计算提供了一种新的方法，成为未来的一个发展方向。在机械设备的设计过程中,对受力较大且复杂的零件进行受力分析,校核其整体和局部强度并进行合理的布局设计,是为了防止因应力过大而导致在实际工作中损坏或寿命降低[5]。本文主要运用 ANSYS Workbench有限元软件对风电主轴承进行静力学计算，分析轴承内部结构参数对轴承载荷分布和最大接触应力的影响规律。

图1 风电主轴承结构及安装图

1 有限元分析过程

1.1 风电轴承有限元分析基本步骤

不同的物理性质和数学模型的问题,有限元法求解的基本步骤是相同的,只不过 具体公式推导和运算求解不尽相同。有限元分析求解问题的基本计算步骤[6]:

1.问题及求解域定义； 2.求解域离散化；

3.确定状态变量及控制方法； 4.单元推导；

5.总装求解；

6.联立方程组求解和结果解释。 简单的说,有限元分析步骤可分成前处理、处理和后处理三个阶段。具体到该主轴承分析中，其分析过程为：用SolidWorks建模软件建立主轴承三维模型，然后将建好的模型导入到ANSYS Workbench中进行前处理，根据需要选择材料模型,生成有限元模型，划分网格，随后对划分好的模型施加载荷和约束，进而进行求解，得到所定义工况下风电主轴承关键部件的应力、变形及接触应力分析结果。 1.2 实体建模

利用三维建模软件Solidworks按所给主轴承工程图尺寸完成轴承各零件的模型建立，并根据装配要求对各零件进行装配，最后完成整个风电主轴承的模型建立，其三维图如下图2所示。

图2 风电主轴承结构图

由于几何模型是按照制造、加工、装配的实际部件、零件装配顺序搭建起来的,没有考虑建立有限元模型的环境和细节要求，不适用于直接转化成有限元模型，必须在转化过程中在原有几何模型基础上进行模型简化，使其成为适合有限元分析所需的模型。几何模型简化成有限元分析所需模型的原则:1)保持分析内容的总体结构不改变；2)删除对分析结果影响不大的细节，尽量减少节点数量；3)合理修改保证计算结果的准确性；4)在简化过程中需要保留危险部位的局部细节结构。

模型简化的方法：1)对不必要的圆角尽量略去；2)倒圆角处以倒斜角取代；3)结构中的工艺结构需要略去；4)不重要区的小孔及小尺寸细节结构尽量略去；5)简化非敏感区域小尺寸的细节结构[7]。简化后的三维模型如下图3所示。

图3 简化后主轴承整体结构

同时考虑到如果对轴承整体进行分析，将会有上百个接触对需要定义、求解；计算量远远超过一般计算机的求解能力，且这样算滚子的接触应力与实际情况相差较大[8]，所以综合考虑，建立有限元模型时只对单个滚子对进行考虑，模型如下图4所示。

图4 单对滚子简化模型

1.3 添加模型材料属性

首先根据已知的轴承各部件材料查找确定其力学参数。在ANSYS Workbench进行有限元分析时，所需要输入的材料参数主要有两个：材料的杨氏模量和泊松比。查找可知，轴承钢G20Cr2Ni4的杨氏模量为206GPa，泊松比为0.3。确定各零件这两个参数后，在ANSYS Workbench中Engineering Data材料参数设置界面中将这些新材料添加到材料库中，进行相关参数设置后，将其应用与该模型属性中。这样，就将材料属性赋予了之前所建立的模型之中。

1.4 网格划分

网格划分的好坏关系着整个求解过程的精确性和效率。网格划分粗糙，计算时间快，但是精确程度低，甚至造成求解结果完全与实际不符；而网格划分过细，虽然理论上精确程度高，但计算时间长，需要的计算机存储空间大，效率低；同时在划分网格时若网格类型选择不合理同样会影响有限元计算结构，甚至造成求解不收敛。因此在本文在划分网格时，综合考虑精度和效率两方面因素，选用四面体单元和六面体单元对风电主轴承进行网格划分。且将轴承内外圈离滚子较远处网格划分的较少,并且采用了自动划分方法，效率高，但是足够体现变形协调和传力的准确；而在内外圈靠近滚子处、滚子等分析的重点零件网格划分的足够细密,网格分布足够均匀；所建的单元有限元网格模型如下图5所示。整体节点数为487557个，单元数为136923个。

图5 整体网格划分

1.4.1 滚子网格划分

由于对滚子与滚道的接触分析是本次有限元分析的重点，因此滚子滚道接触部分的网格划分相对较细。这里采用将滚子与滚道接触部分切开，其他部分网格相对较粗（六面体单元，单元大小2mm），而接触部分网格相对较细（六面体单元，单元尺寸1mm），如下图6所示。

图6 滚子网格划分

1.4.2 外圈网格划分

外圈由于尺寸较大，因此也采用分区域划分方法，靠近滚子出网格划分较细（六面体单元），而远离滚子处网格相对较粗（自动划分），划分结果如下图7所示。

图7 外圈网格划分

1.4.3 内圈网格划分

与外圈相似，内圈网格划分时也将其与滚子接触区域网格划分细些（六面体单元，单元尺寸1mm），远离滚子处网格较粗（自动划分），如下图8所示。

图8 内圈网格划分

1.5 边界条件设定

1.5.1 位移边界条件

由于轴承在实际安装时，轴承外圈通过螺孔与风机机架固定在一起，因此有限元分析时，将轴承外圈孔进行全约束。如下图9所示。

图9 位移边界条件

1.5.2 载荷边界条件

根据实际情况，该主轴承同时收到轴向力、径向力和倾覆力矩的作用。载荷作用在轴承内圈上。因此在有限元分析时，将轴承轴向力、径向力及力矩施加在轴承内圈表面节点上，如下图10所示。

图10 载荷边界条件

1.5.3 接触边界条件

由于要分析滚子与滚道的接触情况，因此需要定义其接触条件。根据实际情况，滚子与滚道的接触为摩擦接触，并查阅相关资料可知，摩擦系数为0.15。除滚子与滚道接触外，其余接触为计算方便定义为绑定基础，如下图11所示。

图11 定义接触情况

2 算例结果分析

按前述方法分析了某型号风电主轴承的滚动体载荷分布和接触应力，根据实际工况，在

单个滚子对上施加轴向力20kN，径向力10kN，并施加倾覆力矩25000NM。对轴承的应力分布、变形、等效应力以及滚子与滚道的接触应力的分析计算，计算结果如下图所示。

图12 滚子对总变形

由分析结果可知，滚子对的最大变形处出现在轴承内圈靠近载荷接触区域，但变形量不是很大，符合实际情况。

图13 滚子弹性变形

通过分析结果看出，滚子变形最大处出现在与轴承内圈接触区域，且靠近滚子边缘处。这时由于这个区域既要承受轴向载荷，又要承受径向载荷和倾覆力矩，因此变形较大。但由图可知，其变形量仍在一个较小的范围内，滚子没有发生破坏。

图14 滚子等效应力

由分析结果看出，滚子的等效应力区域与弹性变形区域是对应的，且分布情况类似。滚子最大应力为241.38MPa。

图示为滚子与滚道的接触应力，又有限元分析结果可知，滚子的最大接触应力为14.183MPa。

3 结论

通过利用有限元对风电主轴承滚子接触应力的分析，以及与理论计算的对比可知： 1）内外圈发生弯扭变形，滚动体载荷分布与采用刚性条件假设时滚动体载荷分布差异较大，因此对于风电轴承必须考虑支撑结构柔度对滚动体载荷分布影响；

2）滚子的最大接触应力出现在距外载最近的滚子上与内圈接触的一侧，应力极值发生在距滚子大径端约1/3处；滚子在接触面中心的接触应力最大，远离接触中心后接触应力值逐渐减小，应力分布呈抛物线状，符合赫兹弹性接触理论。这为为判断轴承的失效形式提供了一定的理论依据。

本文的意义在于：用有限元分析法变连续结构为离散结构,取代了传统的理论分析，并将分析结果与传统理论分析结果进行对比，弥补了理论分析的不足；图示出滚动轴承在径向载荷和轴向载荷作用下的变形和应力情况,显示出某时刻各滚动体的变化,有效地判断轴承的失效形式。 参考文献

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[3]郭金东，赵栋利，李亚西等．风力发电浅谈[J]．电力设备，2004，5(6)：82-84． [4]翟保超．大型风电机组主轴轴承故障分析及疲劳寿命数值模拟[D]．河北：燕山大学，2011：13.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/r346.html