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風力發(fā)電機組輪轂受到葉片傳遞過來的周期性載荷和隨機載荷的綜合作用，是風機中受力情況最為復雜，且可靠性要求最高的關鍵部件之一輪轂的強度直接關系到風力發(fā)電機組的安全性能。在壽命20年的運行過程中，輪轂的失效形式有兩種類型極限工況下，在應力集中區(qū)域的材料塑性變形或破壞，隨機載荷作用下的疲勞破壞。本研究以GL規(guī)范為標準，利用有限元方法對輪轂進行強度分析計算，為風機安全運行提供技術支持。
圖為某公司風力發(fā)電機組球形結構輪轂，由球形體和相貫三圓柱組成。輪轂采用材料QT350-22AL鑄造而成。對其進行強度分析時采用GL規(guī)范中的葉根載荷坐標系w，如圖所示。 其中：zB沿徑向葉片變槳軸，xB垂直于zB，對于上風向機組而言指向塔架，YB垂直于葉片軸和主軸，右旋坐標系原點，每個葉片根部位置。
根據圣維南原理，在保證計算精度的條件下對受載荷不關鍵的部位合理簡化，此處輪轂建模忽略了對強度影響不敏感的螺紋孔、工藝槽等附件。
同時，為合理定義輪轂外載荷邊界條件，建立了輪轂邊界部位的假體零件(變槳軸承、葉根和主軸)，實現柔性加載，使輪轂載荷施加部位不至于剛度過大，并且對變槳軸承等假體做了近似處理。
因輪轂結構比較復雜，采用10節(jié)點四面體分網，在圓角過渡處局部網格加密。假體零件比較規(guī)則，采用六面體分網，在假體與輪轂連接部位進行網格匹配。分網后輪轂單元數為382973個，有限元模型總單元數為522704個。根據葉根載荷坐標系在有限元模型葉根假體位置建立局部坐標系，通過MPC剛性單元藕合到葉根假體端部，模擬葉根載荷加載，載荷施加于MPC獨立節(jié)點上，實現葉根載荷柔性傳遞到輪轂，在主軸假體端部約束6個自由度，邊界條件如圖所示。
風力發(fā)電機組葉片產生的氣動載荷以及由于風輪旋轉和機艙對風轉動引起的離心力、慣性力和重力傳遞到輪轂上，這些載荷和輪轂自身的重力構成了輪轂載荷。在輪轂強度分析中，對其施加葉根坐標系下的載荷，其載荷由GH Bladed軟件仿真得到。
輪轂極限強度安全裕度為1.12大于1，最大應力工況發(fā)生在d1c1.6ar3工況，該工況為50年一遇的極端操作陣風工況，發(fā)生概率相當低，發(fā)生時間也相當短，而其余工況應力均不是很大。因此，輪轂極限強度滿足設計要求。
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