强度分析的任务和对象详解

强度分析是本章主要讨论的内容，合格的强度分析不仅仅是针对结构件在特定条件下的校验计算，还要参与到结构件的设计与多系统仿真（试验）分析的工作中，寻求最佳解决办法，以便在考虑所列举的各项要求的同时，以尽可能小的结构重量保证必要的结构强度。也就是说，对机组的机械零部件既要求安全可靠，又要求重量轻、工艺性及经济性良好。所以对风力发电机组强度分析的任务是：在设计寿命内所有发生载荷的作用下，对机组整机、各个子系统及其结构件进行强度校核，以防止整机、各个子系统及其结构件出现任何形式的破坏（包括由极限载荷、疲劳载荷、共振激励以及屈曲失稳等引起的破坏），或尺寸外形的不可逆改变。在保证满足上述条件的前提下，参考安全裕度给出结构优化意见，实现结构件的轻量化、优良化、工艺性和经济性设计。

一般地强度分析工作分为首轮和终轮两组计算过程。首轮计算的目的为快速校核结构件的安全裕度，根据分析结果给出优化意见；终轮计算的目的是校核修改后的结构是否严格满足设计要求。两轮计算（有时也多达数轮）也可以看作为人工参与的优化分析过程。

满足强度条件是强度分析的核心，是量化分析的过程。主要涉及两个方面：强度判别准则和强度数值计算。

强度判别准则分为定性的判别准则和定量的判别准则。定性的判别准则主要是根据以往经验对结构件采用哪种力学性能为主的强度校核做出判断，并给出参考意见。例如，若结构件在某圆角处静应力数值偏高，而疲劳安全裕度很大，则可以断定该区域为以静应力为主的强度校核，可以通过修改圆角半径，或减小相邻区域的刚度等措施，降低应力峰值。若局部特征改变不大，后续分析工作以静强度校核即可。定量的判别准则是以某一参考值作为评估指标，校验分析结果是否满足限定要求的一种方法。在实际工程应用中，风力发电机组常用的定量判别准则多引用权威的标准规范。例如，在校核材料为QT400-18AL的轮毂的静强度分析流程中，定量判别准则可以引用参考文献[45]中的规定，确定判别准则为等效应力判别方法，校验参考值为屈服应力值。在静强度校核时，应用对比校验法即可判定轮毂是否满足设计规范要求。如果σ_max代表在极端载荷作用下，轮毂出现的最大等效应力，可以应用不等式（12-1）表述强度校验的定量判别准则。

式中 σ_S——材料屈服极限；

γ_m——材料局部安全系数。

一般地，上式可以用于校核任意结构件的静强度。即通常所说的“强度判别条件”。对于极限变形、振动问题、疲劳强度和屈曲稳定性等问题，也可以用类似的不等式来表达结构应满足的基本要求。

由判别准则可以看出，强度分析的数值计算就是在满足准则的条件下，通过计算获得一组极限值数据，并与限定值作对比分析，判定某系统或结构件是否设计要求，确保该系统或结构件具有足够的强度、刚度和稳定性。由力学常识可以推断，风力发电机组系统或结构件要达到满足判别准则的要求，必须要解决几个基本层面的问题：

1）静强度问题：直观地，对于风力发电机组某一具体零部件或系统，如果其上承受的载荷单调地增大，超过了指定的限定值，结构就会发生破坏，力学状态表现为应力超过了抗拉（压）极限，结构出现瞬间断裂。对于风力发电机组来说，几乎所有部件时时刻刻都在应对静强度问题，若结构设计不合理，会导致非常严重的后果。(www.xing528.com)

2）振动问题：风力发电机组是一个具有转体动力特征的多体系统，机组在运行过程中易受到风载荷和自身激励的作用，不可避免地出现响应，产生各种各样的振动。由振动理论可知，当外界激振力的频率与系统自身的本征频率相近或重合时，系统的振幅和能量会急剧增大，达到一定程度会对系统造成破坏。对于风力发电机组来说，若其自身的本征频率与风载荷或自身激振力（特别是叶片旋转引起的周期性激振力）相近时，塔架的摆动位移会急剧增加，易造成机舱或风轮内部部件的破坏，严重的会造成塔架大范围变形或倒塌。

3）疲劳强度问题：在风力发电机组的实际运行中，机组承受的载荷非常复杂，呈现出载荷数值和方向时时变化的特点，由疲劳理论可知，如果机组长时间承受这类交变载荷作用，即使载荷数值较小，也会引起不可容许的后果。当载荷多次作用达到某一循环次数之后，可能会导致某些结构件发生疲劳断裂等严重的后果。为此，在设计过程中应该考虑疲劳强度问题。一般来说，风力发电机组中关键的承力结构容易出现疲劳破坏，如轮毂、主轴、底盘以及轮毂与主轴之间的连接螺栓、塔架底段的连接螺栓等。

4）屈曲稳定性问题：结构的屈曲稳定性主要是分析某类结构在特定载荷状态下的力学稳定性。这类结构表现为：在受压载荷作用下，当压力很小时能够保持原有的平衡形式，若压力增至某一数值时结构内力平衡状态会出现跳跃变化现象，这种变化可导致结构件承载形式的变化、造成承载能力下降，严重者会导致结构的失稳破坏。由屈曲稳定性理论可知，具有细长直杆、薄壁壳体等特征的结构容易出现失稳破坏。对比这类结构的几何特征可知，风力发电机组中锥筒式塔筒、液压变桨距系统中的推力杆符合此类结构件的特征，应对其进行屈曲稳定性分析。

5）极限变形问题：极限变形是指结构件在极端外力作用下，出现最大可能变形的状态。在某些情况下，结构件虽然不发生破坏，但是由于结构件的弹性变形超过了允许的限度，也会使机器设备不能正常工作。例如在风载荷作用下的叶片，即使有足够的强度，若变形过大，旋转时会与塔筒发生碰撞，导致严重的后果。又如主轴变形过大时，将使传动系统运转不良，并引起轴承的不均匀磨损及振动。为此，在机组设计流程中必须考虑极限变形问题。某些极限变形可在静强度分析中得到验证。

上述五个强度问题是在一般层面上通常考虑的主要方面。在个别情况下，环境温度变化可能对前面列举的强度问题产生一定的影响，例如结构件内部的温度分布可引起较大的应力或变形。对于风力发电机组来说，这种情况主要是由外界环境和齿轮箱、发电机等产生的热流引起的。对于复合材料结构，应该特别注意环境温度对强度的影响。此外，影响结构强度的其他因素还包括腐蚀、磨损、老化以及胶接强度随时间而降低等问题。特别地，疲劳强度对这些因素很敏感，所以在计算分析中应予充分考虑。

原则上，风力发电机组的所有系统和结构件都必须进行强度分析，但考虑到，计算周期性，经济性以及结构件受力形式的主次因素。通常选择若干个关键系统或结构件进行强度校核即可，目前风电行业内常规的分析对象见表12-1。

表12-1 风力发电机组常规分析对象一览表