作者：白会超， 苏少昌， 张文伟，邓　航∗ (株洲时代新材料科技股份有限公司， 株洲４１２００７)

出处：《玻璃钢/复合材料》2019年9月刊

 

摘要: 风电叶片叶根连接螺栓承受整个叶片传递的风载荷，其强度和可靠性是保证风力发电机组正常稳定运行的必要条件。本文采用有限元法，分析螺栓预紧力、法兰厚度、螺栓套初始螺纹深度以及螺栓光杆直径等参数对叶根连接螺栓承载性能的影响， 结果表明:①降低螺栓预紧力、增加法兰厚度、增大螺栓光杆直径、降低螺栓套初始螺纹深度均可提高叶根连接螺栓的极限承载能力；②增大螺栓预紧力、增加法兰厚度、减小螺栓光杆直径均能提高预埋型叶根连接螺栓的疲劳寿命，相较其他三个参数，增加螺栓套初始螺纹深度对连接螺栓的疲劳寿命影响最小。

    

    现有的水平轴风机叶片有Ｔ 型螺栓、预埋螺栓套及金属制根部连接件三种连接方式[１] ，主要采用Ｔ 型螺栓和预埋螺栓套。国内外学者对这两种连接形式进行了研究， 王锋、陈真等[２，３] 对比了Ｔ 型连接螺栓和根端预埋螺栓连接两种连接方式在承载形式、生产工艺、设备、成本以及潜在风险等方面的优缺点， 史俊虎等[４] 研究了Ｔ 型螺栓、预埋螺栓套在两种连接情形下螺栓和叶根复合材料的承载情况，通过对比发现预埋螺栓套的叶根承载能力具有明显优势。吴胜军等[５] 研究了风电叶片螺栓安装预紧力，论述了螺栓预紧力的计算过程和利用有限元在ＡＮＳＹＳ 中模拟螺栓预紧力的方法，唐金钱、李会勋等[６，７] 研究了基于ＡＮＳＹＳ 的叶根连接建模方法。

    本文在上述研究的基础上，按照行业标准要求[８，９] ，对典型连接参数(法兰厚度ｔ、连接螺栓光杆直径ｄ、叶根内螺纹埋入深度Ｈ、预紧力Ｐ)对预埋叶片连接螺栓承载性能的影响进行了研究。

１　计算模型

１.１　几何模型

    预埋型叶片连接结构由叶根、法兰、连接螺栓、六角螺母、变桨轴承和轮毂共同构成ꎬ如图１ 所示，叶根由预埋螺栓套和玻璃纤维增强材料(ＧＦＲＰ)结合而成， 叶根和变桨轴承内圈、变桨轴承外圈与轮毂之间通过连接螺栓连接ꎬ且叶根和变桨轴承内圈之间存在法兰盘，预埋型叶片连接结构基本几何参数如表１ 所示。

１.２　有限元模型

    根据观察发现叶根连接部件是对称结构，为简化模型，降低计算量，提高计算速度和精度，采用叶根半模型进行分析，且忽略局部结构(如倒角、倒圆等)。预埋型叶片连接结构主要有合金钢和玻璃钢两种材料， 其中三轴布为正交各向异性材料，１ 方向为图中坐标系Ｙ 向，而２ 方向为叶根圆环切向，３ 方向为根部铺层厚度方向。

 有限元模型的边界条件如图３ 所示， 轮毂模型底部为全约束(即Ｕｘ ＝Ｕｙ ＝Ｕｚ ＝０)，对称平面仅约束了Ｚ 方向自由度、绕Ｘ 旋转自由度和绕Ｙ 旋转自由度(即Ｕｚ ＝ＵＲｘ ＝ＵＲｙ ＝０)。

   整个叶根端面与法兰之间ꎬ法兰与变桨轴承内圈之间，变桨轴承外圈与轮毂之间以及六角螺母与轴承之间均定义摩擦接触边界条件，摩擦系数为０.２０, 而在叶根端面(远离轮毂侧)耦合到中心点处，采用ＭＰＣ 耦合形式，有限元基准模型的载荷为:连接螺栓预紧力为３２０ ｋＮ，叶根弯矩为１３０００ ｋＮｍ。

２　连接参数

    螺栓连接在装配时须预紧ꎬ螺栓在承受工作载荷前受到预紧力Ｐ′， 单个螺栓承受工作载荷后，其受到总拉力[１０，１１] :
 

当螺栓承受轴向变载荷ꎬ螺栓所受工作载荷在０到Ｐ 之间变化时，螺栓总拉力在Ｐ′到Ｐ０ 之间变化，如图３ 所示。这时螺栓的平均拉力为:

由此可知，初始载荷、工作载荷、螺栓刚度和被连接件刚度是影响螺栓连接结构承载性能的关键因素， 而预埋型叶片连接结构中的法兰厚度、连接螺栓光杆直径、螺栓套初始螺纹深度和预紧力均能影响螺栓刚度和被连接件刚度，同时预紧力对螺栓的初始载荷有影响。本文将对叶根连接的法兰厚度、连接螺栓光杆直径、螺栓套初始螺纹深度、预紧力与螺栓承载性能之间的关系进行探讨。

３　对静态承载性能的影响

３.１　法兰厚度对螺栓静态承载性能的影响

    法兰厚度变化会导致连接螺栓长度变化,改变螺栓刚度和被连接件刚度ꎬ此时连接螺栓的承载性能也有所改变。不同法兰厚度ｔ 下连接螺栓的最大应力如图４ 所示。

 

３　对静态承载性能的影响

３.１　法兰厚度对螺栓静态承载性能的影响

    法兰厚度变化会导致连接螺栓长度变化,改变螺栓刚度和被连接件刚度ꎬ此时连接螺栓的承载性能也有所改变。不同法兰厚度ｔ 下连接螺栓的最大应力如图４ 所示。

  随着连接螺栓光杆直径的增大，螺栓刚度Ｃ１ 增加，被连接件刚度Ｃ２ 几乎不变，此时相对刚度降低，螺栓承受的最大拉力随之下降， 由图５ 可知，随着连接螺栓光杆直径的增大，螺栓最大拉应力下降，且下降趋势逐渐平缓。

３.３　预紧力对螺栓静态承载性能的影响

    预紧力增加，螺栓的初始载荷Ｐ′增大，导致螺栓承受的最大拉力增加， 分别计算不同预紧力下连接螺栓的最大应力，分析结果如图６ 所示，螺栓最大拉应力随着预紧力的增加而增大，且基本呈线性关系。

３.4　螺栓套初始螺纹深度对螺栓静态承载性能的影响

    叶根内螺栓套初始螺纹深度的改变会导致螺栓长度和叶根被连接部分长度的变化，从而影响螺栓和被连接件的刚度，进而影响螺栓的承载性能。 分别计算不同螺栓套初始螺栓深度下连接螺栓的最大应力ꎬ分析结果情况如图７ 所示， 可见，连接螺栓的最大应力随着螺栓套初始螺纹深度的增加而增大。

４ 对疲劳性能的影响

    连接螺栓与螺母和螺栓套啮合的起始位置是最容易发生疲劳断裂的[１０] ，因此。本文重点关注双头螺柱在变桨轴承侧和螺栓套侧螺纹啮合起始点的载荷￣应力幅曲线ꎬ以此判定典型参数对连接螺栓疲劳性能的影响。

４.１　法兰厚度对螺栓疲劳性能的影响

    法兰厚度改变ꎬ连接结构的相对刚度随之改变，从而影响螺栓应力幅的大小， 分别将法兰厚度ｔ 定为２５ ｍｍ、５０ ｍｍ、７５ ｍｍ，其载荷与应力幅的关系如图８ 所示。

 可以看出，随着法兰厚度增加，螺栓的载荷￣应力幅曲线逐渐趋于平缓，相同叶根弯矩下的应力幅降低。 因此当螺栓承受相同的疲劳载荷时，连接螺

栓的疲劳寿命会随着法兰厚度的增加而增长。

４.２　螺栓光杆直径对螺栓疲劳性能的影响

    增大螺栓光杆直径会导致螺栓相对刚度下降，应力幅降低， 不同光杆直径时螺栓的应力幅￣载荷曲线如图９ 所示，分析可知，随着螺栓光杆直径ｄ 的减小，螺栓的应力幅￣载荷曲线趋于平缓，在相同的外载荷作用下ꎬ连接螺栓的疲劳寿命会提高。

４.３　预紧力对螺栓疲劳性能的影响

    不同预紧力对连接螺栓疲劳寿命的影响较大[１２￣１６]，将连接螺栓预紧力设为２４０ ｋＮ、３２０ ｋＮ 和４００ ｋＮ，分析不同预紧力下连接螺栓的载荷￣应力幅￣载荷，结果如图１０ 所示。

    分析可知，螺母侧和螺栓套侧的应力幅￣载荷曲线均随着预紧力的增大而趋于平缓。因此，在保证极限强度满足要求的情况下，连接螺栓的预紧力越大越好。

４.４　螺栓套初始螺纹深度对螺栓疲劳性能的影响

    调整螺栓套初始螺纹距离螺栓套端面的距离Ｈ,螺栓的长度和被连接螺栓套的长度均发生变化,螺栓的连接刚度发生变化，不同螺栓套初始螺纹深度的分析结果如图１１ 所示。

分析可知:随着螺栓套初始螺纹的深度增加，连接螺栓两侧啮合螺纹的载荷￣应力幅曲线呈相反趋势，变桨轴承侧螺纹的应力幅￣载荷曲线趋于陡峭，而螺栓套侧螺纹的载荷￣应力幅曲线趋于平缓。但总体而言，不同螺栓套初始螺纹深度的载荷￣应力幅曲线相差并不大。因此，其对连接螺栓疲劳性能的影响

较小。

５　结论

    根据上述规律反映出的各连接参数对叶根连接结构承载性能的影响，考虑到实际结构的限制，可以得出如下结论:

(１)增加法兰厚度ꎬ可以提高连接螺栓的疲劳寿命，也可使极限工况下的最大应力略有降低；

(２)减小连接螺栓光杆直径，会降低螺栓承受的极限载荷，但可以提高螺栓的疲劳寿命；

(３)连接螺栓的极限承载能力随着预紧力的增大而降低，而螺栓的疲劳寿命会随着预紧力的增加而延长；因此，应合理控制预紧力的离散范围，保证极限强度和疲劳强度均满足设计要求；

(４)增大螺栓套初始螺纹的深度，会降低连接螺栓的极限承载能力，但对连接螺栓疲劳寿命的影响较小。