风电叶片螺栓安装预紧力研究.pdf

　５０　　风电叶片螺栓安装预紧力研究　　２０１６年８月　　风电叶片螺栓安装预紧力研究　　　　　　　吴胜军，冯威，苑斐琦，韩涛（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳双瑞风电叶片有限公司，洛阳　４７１０３９）　摘要：风力发电叶片叶根连接螺栓是复合材料叶片与风轮轮毂连接的唯一的也是最关键的部件，通常在安装过程中会施　加螺栓预紧力，保证叶片与轮毂连接的紧密性。预紧力大小的设定对螺栓是否能够正常使用，乃至叶片能否正常运行都有重　大的影响，在螺栓连接的有限元分析中准确模拟螺栓的预紧力是一项复杂而困难的工作。论述了螺栓预紧力的理论计算过程　　及利用有限元技术在ＡＮＳＹＳ中模拟螺栓预紧力的方法，为叶片根部连接施加预紧力提供可靠的依据和指导。　　　　　　　　　关键词：预紧力；风电叶片；叶根连接方式；预紧力系数　　　　—　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１６）０８００５０一ｏ４　　　　　１引言　２０１５年我国风电产业持续保持强劲增长的势　　　　　　　　头，全年风电新增装机容量达３０．５ＧＷ，创历史新　　　高，累计并网装机容量达１４５．１ＧＷ，稳居世界第一。　　风力发电已成为国内第三大主力电源，并已具有自　主知识产权。我国风电行业在不断壮大的同时，正　　逐步打入国际市场。　　风力发电叶片是风能捕获的关键部件，是将风　　能转换为电能的重要组成部分。叶片通过根部螺栓　　　连接与风力机轮毂连接，采用螺栓连接是目前唯一　　　　的连接方式。在叶片安装过程中，必须紧固螺栓　连接，使叶片与风力机轮毂在承受运行工况载荷之　前，预先受到力的作用，这个提前施加的力称为安装　预紧力。安装预紧力的目的是增加连接件间的紧密　性和稳定性，以防止受工况载荷后被连接件间出现　　　　缝隙或相对滑移。国内外风电行业由于预紧力施加　错误或施加流程出问题造成的轻则螺栓断裂、重则　　机组倒塌的案例屡见不鲜。对有螺栓连接的复杂构　件可通过有限单元法得到准确的分析结果，本文采　　　用ＡＮＳＹＳ模拟螺栓预紧力加载，为螺栓安装预紧力　　的施加提供理论依据。　　　图１螺栓连接和计算模型　　—　　　　　Ｆｉｇ．１ＴＢｏｈｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ　　　　在螺栓装配过程中，会产生安装预紧力，安　　　　装预紧力又产生界面间的夹紧力，，在叶片运行期　　　间的轴向工作载荷通过被连接件作用在螺栓上，　并在接合面的紧固区域依据各个连接件及螺栓的弹　性回能和力的作用位置按比例传递，除预紧力外螺　　栓上额外增加的工作载荷计为Ｆ鲥，剩余的工作载荷　　　作用在被连接件上，计为Ｆ。作用在螺栓上的载荷　　　　　　　　　及螺栓的变形可以通过图２来进行说明。在图２　中，（ａ）为开始状态，螺栓处于自由状态；（ｂ）为施加　安装预紧力状态，螺栓被拉伸，被连接件被压缩；　　　（Ｃ）为叶片运行状态，受到工作载荷，螺栓进一步　　拉伸，此时被紧固件产生的载荷Ｆ抵消了部分由安　装预紧力产生的紧固效果。　　２螺栓连接计算模型Ｌｌ—　———　　　７一广一厂、ｌ　风力机叶片的根部螺栓与叶片根部复合材料支　　　　…　＾＿＞十一＿～１一一　一　撑结构可描述为一组机械弹簧模型，弹簧常数定义　　　　　　　　一一一＜毒＜搴篓萎　为与实际连接件性能一致，模型见图１。其中轮毂＇　　—　　——　ｒ＿＿耆鲁　轴承和复合材料根部作为压力弹簧，双头螺栓作为　聪模型　张力弹簧。　　图２各工作状态下螺栓连接变形图　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｉａ￣ａｍｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｗｏｒｋｉｎｇ　　　　　　　　　’　。。。。。。。。。。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‘　。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。　　　　　　　　‘　　　‘　‘　　　’　　　　　　。。。。。。。。。。。。。。。　’　　’　’　’　’　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‘　　　　。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。‘　　　　　　　　　　　　’。。。。。。。。。。。　　’　—。—　　　　　ｓｔａｔｅｓｏｆｂｏｌｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　　——　收稿日期：２０１６０２１８　　　　　　作者简介：吴胜军（１９７９一），男，工程师，硕士．主要从事复合材料产品结构设计工作。　　２０１６年第８期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　５１　　　　　　　由图２可见，安装预紧力对连接件产生的夹　　　　紧力在工作时（在＞０时）的紧固效果会减弱。在　　　　接合面上存在的残余夹紧力Ｆ要求大于１，以保证　　被连接件的紧密性，Ｆ艘可由下面的关系来确定：　　　　　　　　’　Ｆ＝Ｆ肘一Ｆ＝Ｆ一（一跗）　（１）　　　３预紧力载荷计算步骤及影响因素６Ｊ　　　３．１预紧力计算步骤　　　安装预紧力Ｆ是风电叶片根部螺栓连接设计　时螺栓名义尺寸确定的依据。步骤为先计算最小安　　　　　　装预紧力，ｉ，参见公式（２），然后选定预紧力系数，　　　　再依据公式（３）计算最大安装预紧力Ｆ，通常　　　　考虑螺栓９０％屈服点应大于等于Ｆ，从而选择螺　栓的强度等级和规格。　　　　　　△　　　　ＦＭｍｉ＝Ｆ＋（１一）ＦＡ＋ｚ＋Ｆ＾（２）　　其中，Ｆ值为螺栓连接所需的最小夹紧力，例　如密封功能，防止滑移等；西为工作载荷比例系数，　　　　按照轴向螺栓力的比例Ｆ＝（卜）・ＦＡ（ＦＡ＞０时）；　　Ｆ＋ＡＦ￣ｈ为由于螺纹嵌入和温度变化产生的损失。　　　　ＦＭ＝×　　Ｆｉ　（３）　　　　其中，为预紧力系数，由预紧力施加所采用　　的技术和设备决定，见３．２节。　　３．２预紧力影响因素　依据公式（２）安装预紧力主要受到以下因素影　响：松弛和压陷造成的预紧力损失；热膨胀系数不同　　　产生的预紧力及温度造成的材料性能变化；连接件　　（螺栓、螺母、夹紧件）的几何形状；结合面的摩擦系　数；螺栓强度等级；施加预紧力采甩的技术和设备。　可见在估计摩擦系数时出现错误、摩擦系数的　分散、不同的紧固技术，以及设备、操作和读数错误　都或多或少地导致预紧力的离散。预紧力系数　　　　　　　即考虑到Ｆｉ和Ｆ之间的安装预紧力的离散从　　　　　　而引入的系数。三者之间的关系见公式（３）。选　定后即可通过公式（４）得到叶片安装过程中实际应　　　该施加的预紧力。　　２Ｆ＝　１　　㈩　　Ａ＋　、△　　　　其中，为最大最小预紧力之差。　　４螺栓预紧力的模拟　对于风力机来说，在施加安装预紧力情况下，螺　　　栓受拉，而风力机轮毂受压。采用施加在螺栓两头　　　　的拉伸载荷是无法进行计算的。但在ＡＮＳＹＳ中可　通过定义预紧力截面实现螺栓安装预紧力加载的　　模拟Ｊ。　　　　　４．１实例　　　以Ｍ３６螺栓为例，螺杆长为４４８ｍｍ，等效直径ｄ　　　　　　　＝３２．２６ｍｍ，细杆直径ｄ一２８ｍｍ，圆螺母直径为７２　　　　　　Ｉｎｌｎ，高为９０ｍｍ，最小预紧力Ｆｉ＝３７５ｋＮ，最大预　　　　　　紧力Ｆ＝４５０ｋＮ，预紧力系数＝１．２，弹性模量　　Ｅ＝２．０５Ｅｌ１ＭＰａ，泊松比＝０．３。　　４．２材料性能参数　　　　叶片连接方式采用强度等级１０．９级螺栓和１Ｏ　　　　级螺母，材料均为４２ＣｒＭｏＡ，材料属性见表１。轮毂　　部件性能参数见表２。　　　表１根部连接材料性能　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１ＭａｔｅｆｉＭｐｒｏｐｅａｉｅｓｏｆｂｏｌｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　　　表２轮毂材料性能　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ２ＭａｔｅｒｉＭｐｒｏｐｅ￣ｉｅｓｏｆｈｕｂ　轮毂部件性能参数　　杨氏模量／ＧＰａ　泊松比　１６９　０．２７５　　４．３模型建立　　　　　　本文旨在考察螺栓预紧力的有限元计算方法，　仅对单根螺栓连接系统进行建模和计算分析，螺栓　　采用ＢＥＡＭ１８８梁单元建模，圆螺母依据实际几何尺　　寸用Ｓｏｌｉｄ单元建立，另外整体模型还建立了风力机　轮毂板、内外变桨轴承、轴承滚珠、法兰及叶根复合　　材料根部。螺栓连接系统模型见图３，整体模型见　　图４。　　２０１６年第８期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　２１　　　　　　ＲＥＩＮＦＯＲＣＩＮＧＡＮＤＴＯＵＧＨＥＮＩＮＧＯＦＱＵＡＲＴＺＦＩＢＥＲ（ＱＦ）／ＳＩＬＩＣＯＮ－ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ　　　　　　　ＡＲＹＬＡＣＥＴＹＬＥＮＥ（ＰＳＡ）ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳＷＩＴＨＮＥＷＳＩＬＡＮＥＣＯＵＰＬＩＮＧＡＧＥＮＴ　　—　　　—　ＹＡＮＧＨａｉ－ｈｕｉ，ＨＵＹａｎｈｏｎｇ，ＤＵＬｅｉ，ＧＵＹｕａｎｂｏ　　　　　　　　　　　　　　（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＳｐｅｃｉａｌｌｙＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＰｏｌｙｍｅｒｓａｎｄＲｅｌａｔｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｃｈｏｏｌｏｆ　　　　　　　　　　　ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｏｖｅｌｓｉｌａｎｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔＡＡＳ，ｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙｏｕｒｔｅａｍ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｓｔｅｒｍｉｎａｌ　　　　　　　　　　　—　ａｌｋｙｎｅ，ｅｔｈｅｒｌｉｎｋａｇｅ，ａｎｄｉｍｉｄｅｒｉｎｇｓｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｒｅｉｎｆｏｒｃｅａｎｄｔｏｕｇｈｅｎｑｕａ￣ｚｆｉｂｅｒ（ＱＦ）／ｓｉｌｉｃｏｎｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　　　　　　　　　　—　　　ａｒｙｌａｃｅｔｙｌｅｎｅ（ＰＳＡ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ＴｈｅｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＡＡＳａｎｄＰＳＡｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙＦＴＩＲ，ＤＳＣａｎｄＴＧＡ．ＸＰＳ　　　　　　　　　　　　　　　　ａｎａｌｙｓｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｃｈｅｍｉｃａｌｂｏｎｄｉｎｇｓａｒｅｆｏｒｍｅｄｂｅｔｗｅｅｎＡＡＳａｎｄＱＦ．ＴｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＱＦ／ＰＳＡａｒｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｉｍｐｒｏｖｅｄａｆｔｅｒＡＡＳｔｒｅａｔｍｅｎｔ．ＴｈｅｄａｔｅｏｆＩＬＳＳａｎｄｆｌｅｘｕａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ５０．６％ａｎｄ４３．０％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，　　　　　　　　　　　　　　　　　ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｏｓｅｏｆｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ａｎｄｔｈｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎｒａｔｉｏｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｓａｒｅ６６．０％　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａｎｄ８４．２％ｗｈｅｎｈｅａｔｅｄｕｐｔｏ２５０ｑＣ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｅａｔｅｄｂｙｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｗａｓａｌｓｏ　　　　　　　　　　　　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ２０．４％．　　　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａ￣ｚｆｉｂｅｒ；ＰＳＡ；ｔｅｒｍｉｎａｌａｌｋｙｎｅｓｓｉｌａｎｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ　　ａｎｄｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ　　（上接第５２页）　［１Ｏ］高会焕．纤维增强材料风机叶片发展概述［Ｊ］．玻璃钢／复合材　—　料，２００９（０４）：１０４１０８．　　［１１］朱若燕，李厚民．高强度螺栓的预紧力及疲劳寿命［Ｊ］．湖北工　学院学报，２００４（３）：１３４．１３６．　　［１２］李东海．风机叶片根端连接的有限元分析［Ｊ］．玻璃钢，２０１０　（０４）．　［１３］张晓明．风力发电复合材料叶片的现状与未来［Ｊ］－纤维复合　—　材料，２００６，６０（２）：６０６３．　［１４］吴胜军，史俊虎，裴鹏宇．风电叶片叶根连接方式概述［Ｊ］．玻　璃钢／复合材料，２０１４（０７）：８５．８７．　　［１５］（美）ＴｏｎｙＢｕ￣ｏｎ等著．武鑫等译．风能技术［Ｍ］．北京：科学　　出版社，２００７．　　　　　　　　［１６］ＶＤＩ２２３０：ＳｙｓｔｅｍａｔｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｄｕｔｙｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓＪｏｉｎｔｓ　　　　　ｗｉｔｈｏｌｌｅｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｂｏｈ－Ｐａｒｔ１，２００３［Ｚ］．Ｂｅｒｌｉｎ：２００３．　　［１７］李会勋，胡迎春，张建中．利用ＡＮＳＹＳ模拟螺栓预紧力的研究　［Ｊ］．山东科技大学学报（自然科学版），２００６，２５（１）：５７．５９．　　　　　　　　　　　ＡＳＴＵＤＹＯＮＡＳＳＥＭＢＬＹＰＲＥ－ＴＥＮＳＩＯＮＩＮＧＦＯＲＣＥＯＦＷＩＮＤＴＵＲＢ姗　ＢＬＡＤＥ　　　—　　ＷＵＳｈｅｎｇ－ｊｕｎ，ＦＥＮＧＷｅｉ，ＹＵＡＮＦｅｉｑｉ，ＨＡＮＴａｏ　　（ＬｕｏｙａｎｇＳｈｉｐＭａｔｅｒ　　　　　　　　ｉａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＬｕｏｙａｎｇＳｕｎｒｕｉＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，　　Ｌｕｏｙａｎｇ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｏｏｔｊｏｉｎｔｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｉｓｔｈｅｏｎｌｙａｎｄｃｒｉｔｉｃａ１ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｔ０ｃｏｎｎｅｃｔｂｌａｄｅａｎｄｈｕｂ．　　—　　　　　　　　　　　　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｂｏｈｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇｆｏｒｃｅｓｈｏｕｌｄｂｅａｐｐｌｉｅｄｗｈｅｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｔｏｋｅｅｐｂｌａｄｅａｎｄｈｕｂｃｌｏｓｅｌｙ．　Ｔｈｅ　　—　　　　　　　　ｖａｌｕｅｏｆｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇｆｏｒｃｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｂｏｈｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，　　　　　　　ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｂｌａｄｅ．　　　—　　　　　　　　　　　　　　Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｂｏｌｔｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇｆｏｒｃｅｗｉｔｈｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｉｓｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔａｎｄｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｉｎＦＥＡｏｆｂｏｌｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｓｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｕｓｅｓＦＥＡｍｅｔｈｏｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｂｏｌｔＤｒｅ．　　　　　　　　　　　　　　　ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇｆｏｒｃｅｉｎＡＮＳＹＳＷＯＲＫＢＥＮＣＨ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｓａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｐｒｅ．．ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ．　—　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇｆｏｒｃｅ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ，　　—　　　ｂｌａｄｅｒｏｏｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇｆｏｒｅｅｆａｃｔｏｒ　　嘲蛹