风电机组法兰螺栓连接建模与仿真技术研究

【摘要】：风轮是风力发电机上重要的组成部分，叶片气动载荷通过轮毂与主轴的连接法兰传递给变速及发电系统，工作的可靠性直接关系到风力发电机组的安全。论文采用接触强度分析理论，对大型风力发电机组法兰螺栓连接的设计计算方法进行了研究。建立了轮毂法兰的连接刚度模型，研究了螺栓连接的力学特性，通过对比给出了合适的法兰连接仿真方法。论文的主要内容如下： ○1法兰螺栓连接的工程计算分析。研究了VDI2230高强度螺栓连接设计标准中的设计思想，以轮毂与主轴的连接法兰为对象，研究了螺栓预紧力与工作载荷的关系，并建立了法兰连接的刚度等效模型，通过设计计算给出了螺栓的初始预紧力，并计算得到了不同工况下螺栓的工作应力。 ○2法兰螺栓连接的有限元建模技术研究。研究了螺栓螺纹旋合副的受力特性，建立其等效的接触刚度模型，并依据其总结出了一种法兰连接有限元模拟方法，针对此方法和以往的模拟方法分别建立有限元模型，从理论与实验的对比结果来看，这种模拟方法更适用于轮毂主轴法兰连接的仿真分析。 ○3轮毂与主轴法兰螺栓连接的分析计算。利用提出的方法对轮毂主轴法兰连接螺栓进行建模分析，得到了各工况下螺栓的应力结果，并对比分析了螺栓组的危险截面应力，对危险螺栓处的法兰连接进行了安全校核。 【关键词】：风力发电机组 VDI2230 法兰连接 螺栓 有限元
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315;TH131.3
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 绪论7-13
• 1.1 课题研究的背景及意义7-8
• 1.2 国内外技术现状8-10
• 1.2.1 国外技术现状8-10
• 1.2.2 国内技术现状10
• 1.3 论文的主要内容及结构10-13
• 2 法兰螺栓连接的工程计算分析13-47
• 2.1 VDI2230 高强度螺栓连接系统计算标准13-25
• 2.1.1 VDI2230 标准设计步骤13-24
• 2.1.2 螺栓连接设计计算流程24-25
• 2.2 轮毂法兰连接刚度等效模型的建立25-37
• 2.2.1 螺栓等效载荷的计算27-28
• 2.2.2 预紧力-工作载荷关系28-31
• 2.2.3 法兰连接等效面积计算31-32
• 2.2.4 法兰连接圆锥-圆柱刚度模型32-37
• 2.3 连接螺栓的设计计算37-45
• 2.3.1 螺栓-法兰相对刚度计算39-43
• 2.3.2 螺栓预紧力及工作应力计算43-45
• 2.4 结论与小结45-47
• 3 法兰螺栓连接的有限元建模技术研究47-75
• 3.1 变形协调条件下螺纹的受力方程47-55
• 3.2 整体螺纹副刚度方程55-57
• 3.2.1 整体螺纹旋合副径向接触刚度55-56
• 3.2.2 整体螺纹旋合副轴向接触刚度56-57
• 3.3 法兰单元有限元分析57-66
• 3.3.1 法兰单元的几何模型59
• 3.3.2 两种不同的螺栓连接模拟方法及其原理59-62
• 3.3.3 法兰单元的有限元模型62-64
• 3.3.4 有限元结果分析64-66
• 3.4 对比分析与结论66-75
• 3.4.1 螺栓最大应力对比66-67
• 3.4.2 螺栓轴向应力分布对比67-69
• 3.4.3 各旋合区螺纹承载对比69-73
• 3.4.4 结论73-75
• 4 轮毂与主轴法兰螺栓连接的分析计算75-97
• 4.1 法兰螺栓连接有限元模型75-80
• 4.1.1 几何模型75-76
• 4.1.2 整体有限元模型76-77
• 4.1.3 边界条件与接触设置77-78
• 4.1.4 载荷的施加78-80
• 4.2 有限元计算结果80-85
• 4.3 螺栓危险截面对比分析85-93
• 4.3.1 螺栓位置的柱坐标描述85-86
• 4.3.2 螺栓组重要截面的提取86-87
• 4.3.3 不同方向相同载荷的应力对比87-88
• 4.3.4 相同角度不同载荷下螺栓组应力曲线88-93
• 4.4 设计计算与有限元结果对比及结论93-97
• 4.4.1 螺栓最大工作应力对比93
• 4.4.2 螺栓剩余预紧力对比93
• 4.4.3 法兰连接相对刚度与螺栓最大工作载荷93-95
• 4.4.4 结论及小结95-97
• 5 结论与展望97-99
• 5.1 主要结论97
• 5.2 展望97-99
• 致谢99-101
• 参考文献101-105
• 附录105
• A. 攻读硕士学位期间参与的课题研究105

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