轮毂载荷分析：气动、重力、惯性与轴反作用力分析

轮毂载荷包括作用于叶片上的气动、重力和惯性载荷，以及来自轴反作用力。

图6-28所示的轮毂抵抗三向载荷的作用力。

（1）对称的风轮推力载荷

对称的风轮推力载荷导致的叶片根部弯矩使轮毂前面靠近风轮轴的地方承受双向的拉力，后面承受双向的压力，而推力本身在轮毂壳体靠近低速轴法兰连接处产生面外的弯曲应力。

（2）一个叶片的推力载荷

这在轮毂壳体后部产生面外的弯曲应力，而在叶片轴承的引风面和远离叶片的低速轴接盘连接部分的弯曲载荷路径上产生面内拉伸应力（图6-28b中的虚线）。合成的横向载荷将引起面外的弯曲。

（3）叶片重力力矩

在三面圆柱体轮毂上，同向的和反向的叶片重力力矩通过圆柱形外壳传送到靠近风轮轴前面和后面的区域内，在那里它们相互抵消。球形轮毂的相应载荷路径就不是很直观，因为面外的弯曲是容易改变的。

后两种载荷的压力状态的复杂程度使对风轮轮毂的有限元分析变得十分必要。最多有六种载荷情况需要进行分析，分别对应于三个轴的转矩和在一个轮毂与叶片接口处的沿着三个轴向的分量。那么不同叶片上的载荷联合在轮毂上形成的应力分布可以通过叠加得到，类似地，一段时间内轮毂应力的波动可以通过输入由风模拟获得的叶片载荷时间历程推导出。

轮毂设计中的关键应力是内表面或外表面的表面应力，由于外壳变形，该应力达到了极限值。在轮毂的任意一个位置，它们都通过三个量在每个表面上进行定义：直角方向上的两个面内线应力和面内剪应力。总的来说，这些应力相互之间不会同时随时间而改变，所以总的应力方向将会改变，从而使疲劳评估复杂化。

因为轴应力波动，所以迄今为止还没有公认的方法来计算积累疲劳损伤。但是下面的方法已经被使用，它们只适合一个或多个系列重复的应力周期，而不适用于湍流载荷引起的随机应力波动。

1）最大剪切法：这里疲劳计算基于最大剪切应力幅，从（σ₁-σ₂）/2、σ₁/2或σ₂/2的时间历程计算得到。平均应力的影响可以使用Goodman关系：(www.xing528.com)

式中 τ_a——交变剪应力；

τ_m——平均剪应力；

S_SN——从S-N曲线得到的N个载荷周期时的交变剪应力；

S_Su——最大剪切强度；

γ——安全系数。

利用式（6-94）来决定S_SN，此载荷幅的允许周期数可以从S-N曲线得到，从而可以计算出相应的疲劳损伤。

2）ASME锅炉和压力容器规则法：该方法和最大剪切法类似，但是其剪应力幅基于理论主应力，主应力可以通过σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx的变化计算得到，以上这些数据可以在某个最大应力周期内取得。平均应力影响不包括在内。

3）变形能法：这种方法的疲劳计算基于应力的有效波动或Von Mises应力。对于轮毂壳体来说，垂直于壳体表面的应力（称之为第三种基本力）为零，所以有效应力为

因为有效应力是基于变形能，它是一个标量，所以它需要分配一个符号对应于理论主应力。除了式（6-94）中的应力为线应力而不是剪应力外。平均应力的影响允许像最大剪切法那样考虑。