基于损伤力学的风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命分析

摘要

高强度螺栓作为风电机组中重要的联接件，其疲劳强度直接影响风力机结构的承载能力、安全性能和疲劳寿命。塔筒是整个机组的承载部件，故对塔筒法兰部位的联接螺栓进行20年的疲劳寿命校核尤为重要。针对法兰整圈分布螺栓数目较多、螺纹有限元分析过程复杂、螺栓内应力计算困难等问题，论文从工程角度出发，将工程算法与有限元法相结合，研究适用于风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命的分析方法。
　　综合分析目前国内外在风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命方面的研究现状，采用 Schmidt-Neuper算法和单扇面法兰联接螺栓模型的有限元法，分别建立了塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系，并选择较为保守的工程算法计算螺栓时序内应力。根据GL2010规范的高强度螺栓S-N曲线，推导出适用于nCode疲劳分析软件的标准化S-N曲线。采用Miner累积损伤理论和雨流计数法，计算并获得整圈法兰联接螺栓的疲劳累积损伤分布规律，进而找出并分析最危险部位螺栓的疲劳寿命。结果表明：整圈螺栓的最大疲劳累积损伤点位于172.8°和176.4°，其累积损伤值为0.555<1，满足疲劳强度设计要求。
　　针对工程算法确定的危险部位螺栓（172.8°），建立螺纹联接轴对称模型，通过有限元分析获得承受轴向载荷的螺纹联接部位的应力分布规律。结果表明：最大应力位于螺纹第一圈旋合部位，且距离螺母固定面越远，应力越小。
　　以有限元静力学分析结果为依据，计算危险部位螺栓的疲劳累积损伤，并与工程算法结果进行对比得出：根据螺纹联接轴对称模型的有限元分析，计算螺栓的疲劳累积损伤值为0.593，结果略大于工程算法计算结果（0.555）。该方法更加符合螺栓实际工作状况，疲劳寿命分析更加可靠。
　　基于 Schmidt-Neuper算法，分析了预紧力、螺栓数目和法兰厚度对螺栓疲劳寿命的影响，并提出合理优化建议。
　　论文的研究成果为风力机塔筒法兰联接螺栓的疲劳寿命分析提供了技术基础和参考。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳强度研究现状

1.3 主要研究内容

1.4研究思路

第二章 风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命分析基础

2.1 疲劳强度

2.2高强度螺栓

2.3疲劳寿命分析方法

2.4 材料的S-N曲线

2.5 疲劳累积损伤理论

2.6 雨流计数法

2.6本章小结

第三章 基于工程算法的塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命分析

3.1 研究对象

3.2螺栓内应力计算

3.3螺栓时序应力计算

3.4 螺栓材料S-N曲线

3.5 螺栓疲劳累积损伤计算

3.6 本章小结

第四章 基于有限元法的塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命分析

4.1螺纹联接有限元模型建立

4.2 螺纹副应力分布

4.3 疲劳损伤计算

4.4 本章小结

第五章 塔筒法兰联接主要参数对螺栓疲劳寿命的影响

5.1 螺栓预紧力对疲劳寿命的影响

5.2 螺栓数目对疲劳寿命的影响

5.3 法兰厚度对疲劳寿命的影响

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

个 人 简 介