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风力发电机齿轮箱动静态特性的有限元分析

作　者: 何安平
导　师: 王学林
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 风力发电 ANSYS 有限元分析结构分析疲劳分析
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

能源问题已经成为困扰经济社会发展的主要问题,由于使用矿物燃料对环境造成的破坏,使得人们开始开发清洁环保的绿色能源。其中风能就是目前最具有发展前景的绿色能源,风电产业的迅速发展对风力发电机组特别是齿轮箱传动系统提出了更高的要求。本文以大型通用有限元软件ANSYS为平台建立了风电齿轮箱中主要部件——一级行星架和齿轮箱壳体的有限元模型并按照它们的实际工作环境建立了相应的载荷和约束条件。利用ANSYS软件对结构的静力学特性进行了计算和分析,确定了一级行星架和齿轮箱壳体在极限工况下的应力应变分布,并针对轴承孔受压面加强筋板应力水平提出了一些提高强度和刚度的改进措施。为分析齿轮箱的动态特性,计算了一级行星架和齿轮箱壳体的固有频率和振型,确定了它们的振动形态。论文还根据风场的风载记录将其抽象为随时间变化的载荷并作为瞬态输入计算分析了一级行星架的瞬态响应,并以此为依据对一级行星架在风载循环作用下的疲劳强度进行了探讨,初步确定了一级行星架的疲劳寿命。通过对风力发电机齿轮箱的动静态特性分析,掌握了齿轮箱应力应变分布规律,找出了应力应变最大值及发生的位置,总结了齿轮箱在动载荷作用下动态响应的规律。在论文的研究过程中,对结构的合理简化,连接紧固件的模拟,结合面刚度简化,载荷简化等建模中的问题进行了一定程度的探讨,为今后风力发电机齿轮箱的有限元分析提供了一种有效的方法和思路。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-12
  1.1 概述  8
  1.2 国内外风力发电的基本现状  8-9
  1.3 国内外变速齿轮箱的研究现状  9-11
  1.4 本文主要工作  11-12
2 风力发电机齿轮箱的有限元模型  12-39
  2.1 风电齿轮箱结构简介  12-17
    2.1.1 齿轮传动系统简介  12-14
    2.1.2 一级行星架的结构简介  14-15
    2.1.3 齿轮箱壳体的结构简介  15-17
  2.2 有限元技术在结构分析中的应用  17-22
    2.2.1 有限元方法简介  17-18
    2.2.2 大型有限元分析软件 ANSYS  18-19
    2.2.3 ANSYS 有限元分析过程  19-22
  2.3 风力发电机传动系统实体结构模型化  22-31
    2.3.1 有限元建模的基本原则  22
    2.3.2 几何模型的简化  22-26
    2.3.3 单元类型的选择及材料特性  26-27
    2.3.4 传动系统实体部分网格的划分  27-31
  2.4 连接紧固的有限元模拟  31-36
    2.4.1 螺栓连接的模拟  31-32
    2.4.2 预紧力的模拟  32-33
    2.4.3 结合面的耦合处理  33-36
  2.5 模型载荷处理  36-38
    2.5.1 集中载荷与均载的等效处理  36-37
    2.5.2 齿轮轮齿载荷的等效处理  37-38
  2.6 本章小结  38-39
3 风力发电机齿轮箱的静态特性研究  39-56
  3.1 计算工况  39-41
  3.2 一级行星架静态计算结果分析  41-47
    3.2.1 载荷施加及边界条件  41-42
    3.2.2 一级行星架计算结果分析  42-47
  3.3 齿轮箱壳体整体及前端壳体静态计算结果分析  47-55
    3.3.1 载荷及边界条件  47-49
    3.3.2 齿轮箱壳体整体静态计算结果分析  49-52
    3.3.3 前端壳体计算结果分析  52-55
  3.4 本章小结  55-56
4 风力发电机齿轮箱的动态特性研究  56-67
  4.1 结构动态特性概述  56-57
    4.1.1 结构的模态分析  56-57
    4.1.2 结构的瞬态分析  57
  4.2 一级行星架的动力学分析  57-64
    4.2.1 一级行星架的模态分析  57-60
    4.2.2 一级行星架的瞬态分析  60-64
  4.3 齿轮箱壳体的模态分析  64-66
  4.4 本章小结  66-67
5 风力发电机一级行星架的疲劳分析  67-71
  5.1 疲劳分析概述  67
  5.2 ANSYS 疲劳分析的基本过程  67-68
  5.3 一级行星架疲劳分析  68-70
  5.4 本章小结  70-71
6 总结与展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-75

风力发电机齿轮箱动静态特性的有限元分析

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