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MW级风机轮毂球铁QT350-22LT高周疲劳性能研究

作 者: 刘佳
导 师: 曲迎东
学 校: 沈阳工业大学
专 业: 材料加工工程
关键词: 风电轮毂 球墨铸铁 S-N曲线 疲劳断口 数值模拟
分类号: TG255
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


兆瓦(MW)级风机轮毂通过螺栓连接叶片以及主轴,其工作环境及受力情况复杂,轮毂的工作应力多在屈服强度以下,要求安全工作15-20年。因此针对MW级风机轮毂的使用寿命及安全工作方面考虑,应获知风机轮毂球铁高周疲劳寿命。通过对轮毂的受力分析,分析得到轮毂在工作过程中主要受到拉应力和扭转力等。为了解风机轮毂球铁350QT-22LT是否能够满足风机的疲劳性能,本文对QT350-22LT进行高周疲劳实验,分析了断裂特征,根据已得到的疲劳极限作为参考进行数值模拟,以验证QT350-22LT是否满足疲劳寿命的要求。本文主要研究了MW级风机轮毂球铁拉-拉高周疲劳试验,绘制S-N曲线,通过S-N曲线可以推断出在不同的应力下的疲劳寿命,其高周疲劳寿命为250MPa。分析了高周疲劳断口的形貌,高周疲劳断口存在明显的疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区。对比了MW风机轮毂球体高周疲劳、拉伸、室温冲击、低温冲击以及低周疲劳的断口,分析他们的相同点和不同点。通过图片对比发现,高周疲劳断口为典型的脆性断裂。另外,以得到的疲劳极限值作为参考,根据材料的强度为标准,在法兰盘上施加压应力及扭转力进行数值模拟。得到风机轮毂应力最大部位为法兰盘处,单点最大应力为156MPa这与实际工作情况相符合。通过Goodman-Smith疲劳曲线图计算出风机轮毂的安全系数为1.73。应力集中部位没有超过材料的疲劳极限。证明风机轮毂球铁QT350-22LT能够满足设计的应力要求。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 课题研究背景及意义  10
  1.2 国内外风力发电机组的发展现状  10-13
  1.3 风力发电机轮毂研究现状  13-15
    1.3.1 风机轮毂工作环境  13-14
    1.3.2 风电轮毂材料选择  14
    1.3.3 工作及载荷特征  14-15
  1.4 球墨铸铁件疲劳寿命的研究与进展  15-16
  1.5 本文所研究的内容  16-17
第二章 实验材料、设备及方法  17-20
  2.1 实验材料  17
  2.2 实验设备  17-18
  2.3 实验方法  18-20
    2.3.1 拉伸试样的制备  18
    2.3.2 拉-拉高周疲劳实验  18-19
    2.3.3 拉伸和疲劳断口形貌观察  19-20
第三章 MW级风机轮毂球铁拉-拉高周疲劳实验  20-26
  3.1 材料疲劳现象  20-21
    3.1.1 疲劳概念及其分类  20
    3.1.2 疲劳失效及其特点  20-21
    3.1.3 疲劳破坏过程  21
    3.1.4 影响疲劳强度的因素  21
  3.2 拉-拉高周疲劳实验数据及S-N 曲线  21-24
    3.2.1 轮毂受力分析  21-22
    3.2.2 高周疲劳实验数据  22-23
    3.2.3 数据分析  23-24
  3.3 高周疲劳 S-N 曲线与低周疲劳 E-N 曲线的对比  24-25
  3.4 小结  25-26
第四章 高周疲劳断口分析  26-41
  4.1 高周疲劳下的断口分析  26-32
  4.2 高周疲劳断口与拉伸断口对比  32-34
  4.3 高周疲劳断口与冲击断口的对比  34-36
  4.4 高周疲劳断口与低周疲劳断口对比  36-38
  4.5 影响MW 级风机轮毂球铁高周疲劳的因素  38-40
    4.5.1 基体组织对疲劳性能的影响  38
    4.5.2 温度对高周疲劳性能的影响  38-39
    4.5.3 球化率对高周疲劳性能的影响  39
    4.5.4 试样表面粗糙度  39-40
  4.6 小结  40-41
第五章 MW级风机轮毂有限元分析  41-54
  5.1 ANSYS 软件介绍  41
  5.2 单叶片剪切应力和压应力共同作用  41-47
  5.3 三叶片剪切应力和压应力共同作用  47-51
  5.4 Goodman-Smith 疲劳曲线图  51-53
  5.5 小结  53-54
第六章 结论  54-55
参考文献  55-57
在学研究成果  57-58
致谢  58

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 铸造 > 铸铁件铸造 > 球墨铸铁铸件
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