风电机组齿轮疲劳寿命预测方法研究

【摘要】：在复杂多变的外界载荷作用下,风电机组齿轮的寿命难以准确预估是导致风电机组失效的一个重要因素,因此,风电机组齿轮疲劳寿命预测对降低故障率有重要的意义。本文采用计算机辅助工程(CAE)技术来估计风电机组齿轮的疲劳寿命。具体做以下研究：1.建立齿轮箱的刚柔耦合模型。首先运用Pro/E对其行星轮、太阳轮、行星架、内齿轮、齿轮轴和齿轮进行建模并装配；然后在Adams中将Hertz接触理论嵌入仿真模型,在齿轮之间施加接触力,实现齿轮啮合时动态实时仿真。2.基于载荷谱的风电机组齿轮疲劳寿命理论计算。选择适用于高周疲劳破坏的名义应力法来预测风电机组齿轮的疲劳寿命。取两种工况下关键部件的应力仿真结果,利用雨流计数法、材料的P-S-N曲线和Miner疲劳累积损伤理论通过理论计算得到两种工况各部件的疲劳寿命。3.基于CAE软件的风电机组齿轮疲劳寿命仿真计算。在疲劳寿命分析专用MSC.Fatigue软件中,导入动力学仿真软件Adams对风电机组刚柔耦合模型进行动力学仿真得到的各关键部件的载荷谱,加上将各级齿轮啮合的简化模型导入MSC.Patran/Nastran中进行有限元分析得到的模型的应力应变分布,结合各关键部件材料的疲劳特性曲线,进行疲劳寿命计算,得到两种工况各部件的疲劳寿命云图。通过刚柔耦合模型建立和疲劳分析得到风电机组齿轮疲劳寿命的分布情况和最危险点的寿命值,并与风电机组齿轮理论计算的寿命作比较,验证了该方法的可行性。该方法和结论对风电机组的齿轮箱的设计和优化具有指导作用。 【关键词】：疲劳寿命 风电机组齿轮 载荷谱 计算机辅助工程
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH132.41;TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 选题的背景及其意义10-11
• 1.2 国内外齿轮的疲劳寿命的研究现状及发展动态11-13
• 1.3 本论文主要的研究内容13-15
• 第2章 风电机组齿轮箱传动系统刚柔耦合模型的建立15-20
• 2.1 风电机组齿轮箱的简介15-16
• 2.2 某型号兆瓦级的风电机组齿轮箱简介16-17
• 2.2.1 齿轮箱的结构16-17
• 2.2.2 齿轮箱的基本参数17
• 2.3 风电机组齿轮箱传动系统刚柔耦合模型的建立17-19
• 2.3.1 关键构件的柔性化18
• 2.3.2 传动系统刚柔耦合模型的建立18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第3章 风电机组齿轮箱传动系统的动力学仿真20-34
• 3.1 风电机组齿轮箱所受载荷的分类20
• 3.2 刚体动力学理论20-23
• 3.2.1 笛卡尔坐标系20-21
• 3.2.2 动能21
• 3.2.3 动量21-23
• 3.3 刚体模型动力学仿真23-26
• 3.3.1 对刚体模型施加合理的约束和力元23-24
• 3.3.1.1 约束23
• 3.3.1.2 力元23-24
• 3.3.2 接触副参数的设置24
• 3.3.3 恒定工况的动力学仿真计算24-26
• 3.3.3.1 传动比的仿真分析及验证模型的合理性24-26
• 3.4 多柔体动力学理论26-30
• 3.4.1 相对变形场的描述26-27
• 3.4.2 变形体上任意一点位移、速度、加速度可表示为27-28
• 3.4.3 变形体的动能28-29
• 3.4.4 运动约束方程29
• 3.4.5 系统方程29-30
• 3.5 刚柔耦合模型的动力学仿真30-33
• 3.5.1 恒定工况的动力学仿真计算30-32
• 3.5.1.1 对刚柔耦合模型施加合理的约束和力元30
• 3.5.1.2 接触副参数的设置30
• 3.5.1.3 传动比的仿真分析及验证模型的合理性30-31
• 3.5.1.4 啮合力的仿真分析及与理论值的比较31-32
• 3.5.2 非恒定工况下的动力学仿真32-33
• 3.5.2.1 负载转矩和波动转速32-33
• 3.5.2.2 关键部件啮合力的仿真分析33
• 3.6 本章小结33-34
• 第4章 风电机组齿轮的疲劳寿命理论计算34-42
• 4.1 疲劳破坏及疲劳寿命的定义34
• 4.1.1 疲劳破坏的定义34
• 4.1.2 疲劳寿命的定义34
• 4.2 疲劳寿命的理论计算方法34-38
• 4.2.1 疲劳载荷谱的统计处理35-36
• 4.2.2 材料的疲劳特性36
• 4.2.3 疲劳累计损伤理论36-38
• 4.3 疲劳寿命的理论计算算例38-40
• 4.3.1 恒定工况下疲劳寿命计算38-39
• 4.3.2 非恒定工况下疲劳寿命的计算39-40
• 4.4 本章小结40-42
• 第5章 基于CAE软件的风电机组齿轮疲劳寿命估算42-50
• 5.1 疲劳寿命分析流程42
• 5.2 动力学仿真分析42-43
• 5.3 有限元仿真分析43-45
• 5.3.1 Patran软件的介绍43
• 5.3.2 有限元仿真及计算结果分析43-45
• 5.3.2.1 有限元模型的建立43-44
• 5.3.2.2 定义材料属性及网格划分44-45
• 5.3.2.3 计算结果的分析45
• 5.4 疲劳寿命计算45-49
• 5.4.1 Fatigue软件的介绍45-46
• 5.4.2 材料的S-N曲线46
• 5.4.3 疲劳寿命计算结果分析46-49
• 5.4.3.1 恒定工况下,疲劳寿命计算结果分析46-48
• 5.4.3.2 非恒定工况下,疲劳寿命计算结果分析48-49
• 5.5 本章小结49-50
• 第6章 结论与展望50-52
• 6.1 总结50-51
• 6.2 展望51-52
• 参考文献52-55
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果55-56
• 致谢56

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