静强度分析方法及流程简介

静强度分析是工程结构设计中使用最为频繁的分析，主要用来求解结构在与时间无关或者时间作用效果可以忽略的静力载荷（如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等）作用的响应，并得出所需的位移、应力和应变能等。

风力发电机组结构件的静强度问题，实际是考察机组的关键结构件在使用当中承受最大作用载荷的能力，分析结构承受极端载荷时的最大应变、应力和位移，进而讨论该结构的强度和刚度问题。分析方法及准则是风力发电机组结构件强度校核中最基本的分析原则，是机组结构设计活动中首先考虑的基本要求。

考虑到不同的载荷工况会导致结构件的受力状态不同，因此，必须全面考察机组在运行中所遇到的各种载荷状态（或称工况）。同一载荷分量，静强度仅考虑最大载荷值即可。通常风力发电机组结构静强度分析依据相关规范给定的设计载荷法，即计算载荷必须包含安全系数γ_f。

根据求解问题的复杂程度，风力发电机组结构件的静强度分析方法可分为两类：工程计算方法和有限元计算方法。

对于某类结构件来说，其结构尺寸单一，受载条件简单，并且有权威机构颁布的工程算法实例做参照，则此类结构件的静强度分析可应用工程算法计算。例如，锥筒式塔筒筒段间螺栓连接的静强度分析等。

对于载荷复杂或结构复杂的一类结构件（例如，轮毂、底盘等），工程算法或者传统强度分析办法无法给出合乎规范要求的精确解，必须借助数值计算完成这类结构件的静强度分析。有限元法就是其中发展较为成熟的数值计算方法之一，是解决复杂力学问题的一个有效的工具。图12-2为有限元静强度分析的一般流程。

图12-2 有限元静强度分析的一般流程

有限元静强度分析是求解近似解的过程，求解精度高度依赖建模策略，网格密度以及载荷或位移边界的施加方式，为保证计算结果安全可信，风力发电机组结构件的有限元静强度分析应满足下列基本原则。

1.建模及网格划分应遵循的原则

1）对于非重点考察区域的细小特征，例如圆孔、倒角、凸台等，在不影响整体刚度的前提下，可以适当简化；

2）采用构建相邻部件的部分模型（假体）的方法，增加模型的合理判别区域。结构件、假体模型的尺寸及其连接方式应与实际情况保持一致；

3）模型整体的网格规模和网格质量应适当，重点校验区域要加密网格，非重要的区域可适当增大网格尺寸，建议采用高阶单元划分模型；(www.xing528.com)

4）对于呈现高应力状态、应力梯度变化较大的局部区域，要细分网格，追求高质量网格。建议出现高应力的倒圆特征至少划分三层单元；

5）含有对称结构特征的模型，可以考虑建立最小模型，降低计算复杂性。

2.施加载荷应遵循的原则

1）简化假设越少越好；

2）使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合；

3）如必须作简化处理时，必须忽略“不合理”简化的边界附近一定区域内的应力；

值得注意的是，在结构分析中，集中载荷通常是梁、杆和弹簧等非连续性的模型施加载荷的一种途径。对于由平面单元或者三维实体单元等组成的连续性模型，集中载荷意味着存在应力奇异点。在静强度分析中，如果不关心集中载荷作用节点处的应力，根据圣维南原理，可以用等效集中载荷代替静力分布载荷，添加在模型上，虽然这样做会对载荷附近的局部特性有影响，但对整个结构的性能影响并不大。

无论采用工程算法还是数值算法，最后的工作都要归结为：静强度校验。对于风力发电机组结构件的静强度分析来说，就是通过应力（位移）比较，以校核结构件是否满足强度和刚度的要求。具体的做法是筛选出最大应力（最大位移）的载荷情况，并对该情况下所产生的最大应力（位移）进行检验。应力检验条件依据表达式（12-2）。

式中 γ_m——材料安全系数

σ_y——材料极限应力

σ_S——材料屈服极限