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兆瓦级风力发电机高强度螺栓联接静力学性能分析

作　者: 李振强
导　师: 鄂加强
学　校: 湖南大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 风力发电机 螺栓联接 VDI2230 应力强度 疲劳强度 裂纹扩展
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着社会的发展，能源和环境问题的加剧，发展新能源技术是当今刻不容缓所需解决的紧迫问题。风能作为一种取之不尽，用之不竭的绿色能源，是未来的发展趋势。但由于近些年来发生多起大型风力发电机倒塔事故，其中多为螺栓强度不够所致。且高强度螺栓是联接这些主要零部件的重要元件之一，起到联接、定位和密封等作用，其使用量也是最大的。如何探究高强度螺栓预紧力与外载荷之间的关系，以及如何提高高强度螺栓联接强度，保持兆瓦级风力发电机组安全运转是首先亟待解决的难题。因此，研究高强度螺栓联接的应力疲劳强度特性是非常必要的。为此，本论文以可再生能源电力技术湖南省重点实验室开放基金项目[2011KFJJ001]和校企合作项目―兆瓦级风力机高强度螺栓联接可靠性技术研究‖为依托，采用理论计算标准算法、数值仿真方法、强度理论和断裂力学理论等相结合的方法对兆瓦级风力发电机组高强度螺栓联接应力、疲劳强度与表面裂纹扩展进行相应研究，论文主要创新点和研究工作如下：（1）采用VDI2230工程算法对兆瓦级风力发电机偏航齿圈处高强度螺栓联接进行合理简化，建立了单个高强度螺栓联接局部模型，揭示了高强度螺栓基本参数、螺栓柔度、残余预紧力、载荷系数、预紧力丧失量、最小(大)预紧力、最小拧入深度和预紧力矩等因素对高强度螺栓强度及疲劳极限值的影响机理。（2）建立兆瓦级风力发电机组偏航过程偏航齿圈与塔架法兰处螺栓联接有限元模型，利用ABAQUS与FEMFAT在不同预紧力状况下对高强度螺栓进行应力疲劳分析，得到高强度螺栓联接的应力、损伤及其寿命等特性指标分布规律，并通过实验对其进行了有效的对比分析。（3）建立高强度螺栓表面裂纹分析模型，在不同预紧力及裂纹形状条件下进行高强度螺栓应力疲劳强度分析，得到高强度螺栓联接的应力云图、损伤云图、寿命云图及裂纹强度因子，其应力疲劳强度得到较好的验证。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-19
  1.1 选题背景及研究意义  10-14
  1.2 联接螺栓国内外研究现状  14-17
    1.2.1 国外研究现状  14-15
    1.2.2 国内研究现状  15-17
  1.3 课题来源及论文主要内容  17-19
第2章 螺栓联接强度基础理论  19-24
  2.1 强度理论概述及构件失效方式  19-20
  2.2 四种常用强度理论  20-21
    2.2.1 第一强度理论  20
    2.2.2 第二强度理论  20
    2.2.3 第三强度理论  20-21
    2.2.4 第四强度理论  21
    2.2.5 强度理论的应用  21
  2.3 螺纹连接强度  21
  2.4 构件含裂纹时的断裂准则  21-22
  2.5 疲劳累积损伤理论  22-23
  2.6 本章小结  23-24
第3章 兆瓦级风力发电机组高强度螺栓联接设计  24-37
  3.1 螺栓基本参数  26-27
    3.1.1 额定直径及检查有效范围  26
    3.1.2 紧固系数  26-27
  3.2 最小夹紧力  27-29
  3.3 柔度和载荷系数  29-32
  3.4 螺栓预紧力  32-33
    3.4.1 预紧力的变化  32-33
    3.4.2 最小装配预紧力  33
    3.4.3 最大装配预紧力  33
    3.4.4 安装载荷  33
  3.5 螺栓受力情况  33-36
    3.5.1 工作应力  33-34
    3.5.2 交变应力  34-35
    3.5.3 表面压力  35
    3.5.4 最小联接长度  35-36
    3.5.5 滑动，剪切应力  36
  3.6 预紧力矩  36
  3.7 本章小结  36-37
第4章 偏航齿圈与塔架法兰处螺栓应力疲劳仿真分析  37-48
  4.1 几何模型  37
  4.2 有限元模型  37-40
    4.2.1 网格的划分与单元类型的选取  38
    4.2.2 材料属性  38
    4.2.3 接触、加载与边界条件的确定  38-40
  4.3 应力分析结果  40-42
  4.4 不同分析模型之间的应力结果比较  42-44
  4.5 偏航齿圈与塔架法兰处螺栓疲劳数值分析  44-46
  4.6 兆瓦级风力发电机组偏航齿圈联接螺栓性能测试  46-47
    4.6.1 拉伸试验  46
    4.6.2 冲击韧性试验  46
    4.6.3 硬度测试  46-47
  4.7 本章小结  47-48
第5章 偏航齿圈与塔架法兰高强度螺栓表面裂纹分析  48-58
  5.1 夹角为零时高强度联接螺栓横裂纹分析  50-52
  5.2 夹角非零时高强度联接螺栓斜裂纹分析  52-55
  5.3 夹角为直角时高强度联接螺栓直裂纹分析  55-57
  5.4 本章小结  57-58
结论与展望  58-60
参考文献  60-64
致谢  64-65
附录 A 攻读硕士学位期间发表学术论文和从事课题  65

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 发电机、大型发电机组（总论） > 风力发电机
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