转盘轴承有限元分析报告

转盘轴承有限元分析报告

目 录

1.本次有限元分析的目的 (2)

2.有限元分析模型的说明 (2)

2.1变桨轴承有限元分析策略的简要说明 (2)

2.2有限元分析模型参数 (4)

2.2.1 变桨轴承的尺寸参数及坐标系 (4)

2.2.2轴承材料参数 (4)

2.2.3 轴承载荷参数 (4)

2.3整体有限元分析计算模型 (5)

2.3.1 非线性连接单元刚度曲线的计算 (5)

2.3.2 滚动体的仿真模拟 (6)

2.3.3 轴承支承座及回转支承体的仿真模拟 (6)

2.3.4 安装螺栓的仿真模拟 (6)

2.3.5 载荷及边界条件设置 (6)

2.3.6 模型网格化参数 (6)

2.4 分析子模型的创建 (7)

3.计算结果及分析 (8)

3.1 滚动体的负荷分布及接触强度校核 (8)

3.1.1 滚动体负荷的计算结果 (9)

3.1.2 滚动体沿圆周方向的负荷分布 (10)

3.1.3 变桨轴承接触强度的校核 (12)

3.2 连接螺栓的负荷分布及强度校核 (13)

3.2.1 连接螺栓工作负荷计算结果 (13)

3.2.2 连接螺栓沿圆周方向工作负荷分布 (13)

3.2.3 连接螺栓强度校核 (14)

3.3 套圈的应力及位移分布 (15)

3.4 套圈危险部位的强度校核 (16)

4.有限元分析的结论 (17)

1．本次有限元分析的目的

变桨轴承用于联接风力发电机的桨叶和轮毂，是风力发电机的关键部件之一。变桨轴承随桨叶的转动其受力处于交替变化的状态，其内外套圈属不规则几何体，受载后套圈上的应力分布十分复杂。在变桨轴承的强度计算方面，目前多采用经典的赫兹接触理论进行接触强度的校核计算。对于使用者关心的轴承套圈强度及刚度的计算目前还没有成熟的简便的校核计算手段。因此，充分运用先进的有限元分析技术及软件，提高对此类轴承强度的理论分析和校核计算水平，对于提高企业的核心竞争力和自主研发能力，避免设计工作的盲目性均具有重要意义。

有限元分析是目前利用计算机技术进行产品性能数值仿真的最常用手段。它

是利用数学逼近的方法对真实物理系统进行模拟，借助简单而又相互作用的单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统的科学计算方法，是求解

给定边界条件的物理场方程的最强有力的工具。

本次有限元分析使用的是法国达索公司的有限元分析软件Abaqus ，该软件

是目前国际上公认的结构有限元分析功能最为强大的CAE工具。为提高有限元分

析建模效率，还专门开发了基于面向对象脚本语言Python的自动建模软件，该

软件可自动完成从轴承CAD系统的数据导入和手动交互式建模的全部工作，同时

网格参数等的调整也变得异常方便。

本次有限元分析的目的是研究风电变桨轴承在给定的载荷条件下的变形和

应力分布，计算滚动体的负荷分布，螺栓的工作应力，计算确定该轴承危险部位

的应力安全系数，为该轴承的结构尺寸设计提供理论依据。

2．有限元分析模型的说明

2.1变桨轴承有限元分析策略的简要说明

所有的滚动轴承都是通过滚动体来实现内外圈之间的力的传递。转盘类滚动轴承的有限元分析必须首先进行轴承的整体分析。若不进行整体分析，则滚动体的负荷分布，即作用在每个滚动体上的载荷就无法取得，轴承的疲劳寿命和接触强度的计算就无从谈起。若采用经典的轴承理论进行计算则无法考虑套圈变形对滚动体的负荷分布的影响，使得计算的精度不高且往往偏于保守。因为经典轴承计算理论是基于轴承套圈均为刚体的假设，而转盘类

滚动轴承通常都属于簿壁大直径结构件，显然无法满足套圈刚性的假设。为提高分析计算的精度和可靠性，必须首先将套圈视为柔性体,进行整体有限元分析计算以便充分考虑套圈变形对滚动体负荷分布的影响。

变桨轴承的尺寸较大，滚动体的数量通常较大。每个滚动体与内外圈形成四个接触对，因此接触对的数量十分庞大。在基于有限元的结构分析中，接触问题是一种高度非线性的分析问题。当接触对的数量很大时往往会给计算过程带来很大的困难。计算过程不仅耗时很长，常常还会因为迭代次数过多而无法得到收敛的结果。为了克服计算过程的收敛困难，同时保证分析计算具有足够的精度，本次有限元分析采用整体分析与局部子模型分析相结合的分析策略。

首先进行的整体分析，用非线性连接单元模拟滚动体，用线性连接单元模拟安装连接螺栓，用两块刚性平板模拟转盘轴承与机架与支承回转体的摩擦接触连接，这样做既可以大大提高计算效率，又能保证计算过程的顺畅进行和计算结果具有足够的精度。由于整体分析模型的体积很大，受限于计算机的存贮能力，其单元的尺寸相应也较大。因此，虽然整体模型计算得到的位移具有较高的精度，但应力计算值的精度不高。为此，必须进行采用了细化网格的子模型分析。

在子模型分析阶段，将整体模型计算得到的位移将成为子模型的位移边界条件，将危险区域定义成子模型进行详细建模和分析。在细化网格的同时，所有滚动体与滚道的接触均使用基于面面接触的接触对模型，保证接触计算更符合实际情况。实际计算表明，上述分析方法是切实可行的，计算结果也是真实可信的。

2.2有限元分析模型参数

2.2.1 变桨轴承的尺寸参数

表(1) 轴承主要内部参数表

名称 符号 数值 名称 符号 数值

钢球直径Dw50.8钢球数量Z 2x116

钢球中心径 Dwp2410接触角alfa45内圈沟曲率系数 fi0.52 外圈沟曲率系数 fo0.52

2.2.2轴承材料参数

表(2) 轴承材料参数表

弹性模量(MPa) 泊松比 屈服强度(MPa) 强度极限(MPa) 207000 0.3 930 1080

2.2.3 轴承载荷参数

表(3) 轴承载荷参数表

轴向载荷Fy(kN) 径向载荷Fx(kN)倾覆力矩Mz(kNm)

1100 0 9100