海上风机叶根螺栓瞬态应力分析与可靠性优化

大兆瓦海上风电机组叶根螺栓螺纹副预紧载荷分布非均匀行为是诱发螺栓在高预紧状态下预紧力早期衰退的最主要原因之一。结合海上风机叶根螺栓的预紧工艺,文章从螺纹副载荷非均匀分布行为入手,提出了一种基于螺纹副载荷分布计算的螺纹参数匹配与连接工艺优化方法。首先,构建了参数驱动的螺纹副精细化有限元瞬态动力学模型,并对螺纹牙型角、螺距等特征进行了参数化建模,计算了采用拉伸法工艺预紧叶根螺栓过程中标准螺纹副受载历程与载荷分布状态;然后,搭建了基于拉伸法工艺预紧螺栓的试验系统,以螺栓预紧力瞬时衰减值为判据验证了螺纹副载荷分布行为有限元计算模型的有效性与精度。最后,以某型10 MW级风电机组用M36高强度螺栓为工程应用对象,基于叶根螺栓拉伸法预紧工艺下螺纹副载荷分布对其螺纹特征进行了参数化适配设计。结果表明:采用本文提出的方法,有效控制了拉伸法预紧螺栓过程中的预紧力损失,降低了螺牙的最大结构应力的同时改善了螺纹副的应力分布,有利于提高风电机组的运行可靠性。

单颗螺栓预紧力损失影响因素

以某风电机组螺栓连接部位为研究对象,建立含精细化螺纹的螺栓有限元模型,将单颗螺栓拉伸实验与仿真结果对比,验证仿真方法的有效性。采用数值模拟方法研究双头螺柱不同连接材料、有无垫片、不同长径比对预紧力的影响,结果表明:不同连接材料对预紧力损失影响甚微;长径比与预紧力衰减率呈负相关,当长径比小于11时衰减率呈陡增趋势;无垫片会降低预紧力衰减率。

铝制多胞吸能盒多目标优化设计

在验证仿真方法有效性的基础上,建立了含三种不同形式多胞吸能盒的台车正碰模型。通过100%正碰仿真,分析了不同截面形状吸能盒的吸能效果、压溃性能及压溃力峰值。采用全因子实验设计方法完成了正交试验,并确定九胞吸能盒作为后续研究对象,探究壁厚对吸能盒耐撞性影响,采用神经网络模型构建了代理模型,再用NSGA-Ⅱ遗传算法完成了多目标优化设计。优化后的九胞吸能盒,压溃吸能量得到提升,压溃力峰值水平降低,且实现了轻量化。