基于ANSYSWorkbench风电齿轮箱行星架有限元分析

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摘要：风力发电因其具有可再生及绿色环保等优点越来越受到人们的重视。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。随着风电技术也日趋成熟，成本逐渐下降以及政府的大力支持，我国风电产业必将长期保持快速稳定发展。

关键词：风电齿轮箱 分析

1、引言

风电增速齿轮箱是风力发电机组的关键部件，它的设计及研发是风电技术的核心。风电技术逐渐向轻型、高效、高可靠性及大功率化方向发展。随着功率的增加，风电齿轮箱的安装高度和重量也相应增大，从而增加了安装及维护的成本。

对于风电增速齿轮箱设计，行星传动是一种重要的传动形式，尤其在大功率的风电增速机中应用更为广泛。行星架作为行星传动装置的主要构件之一，它承受着很大的扭矩，重量也很大，其变形对内外啮合齿轮的传动的精度及可靠性有很大影响。因此，行星架的设计对增速箱的减重、增强寿命、提高可靠性及降低成本有着重要的意义。

行星架的设计，以往多以材料力学为理论基础，由其简化模型得到一些经验公式进行设计。这种设计方法由于其自身的局限性，很难满足现代高精度、高可靠性、轻量化的设计要求。随着有限元技术和计算机水平的不断发展，在机械结构上的设计应用越来越广泛。本文以某兆瓦级风电齿轮箱中的行星架为研究对象，在ANSYS Workbench平台上对其进行有限元静力学分析。通过静力分析结果，得到行星架在极限荷载下的应力、位移分布，为行星架的合理设计提供重要参考。

2、行星架有限元模型的建立

2.1 行星架几何模型的导入

ANSYS Workbench可以与大多数主流的CAD三维软件协同建模，它不仅能读入外部几何模型，还能嵌入到这些CAD系统中与其实现相互关联性。本文在Pro/E中建立行星架的几何模型，通过Pro/E与ANSYS Workbench 图形数据交换的无缝连接功能，导入到ANSYS Workbench中进行有限元分析。导入几何模型前，将一些对应力结果影响很小或不关心区域的微小特征做了简化处理。

2.2 定义材料

几何模型导入ANSYS Workbench软件后，首先需要定义材料属性，包括材料的弹性模量、泊松比、密度等。本文中行星架材料选用了G18NiMoCr3-6，其具体材料属性见表1。

2.3划分网格

有限元模型的网格划分是有限元数值计算中的一个重要环节，因为它直接影响着数值分析计算结果的精确性及可靠性。为了提高计算的精确度，本文对行星架采用了10节点四面体二阶单元进行划分。最终有限元模型共划分单元数为 226078，节点个数为 327560，其网格划分效果见图1。

2.4 行星架约束及加载

首先简绍一下本文中行星架的载荷传递情况，扭矩T从行星架输入，将载荷传递到行星轮轴，经行星轮与太阳轮啮合最终由太阳轮输出扭矩。在行星架扭矩输入端圆柱孔壁上施加周向约束，两侧放置轴承部位施加径向约束，扭矩输入端轴承部位施加轴向约束。为了方便施加载荷，首先建立三个局部坐标系，如图2所示。通过受力分析，将行星架6个轴孔上所受到的行星轮轴对其的载荷分别施加到相应的轴孔部位上，具体施加的情况见表2。

3、行星架结果分析

图3为行星架应力分布云图，从图中可以看到行星架应力最大的部位发生在侧板支撑根部位置，最大值为504.86MPa。最大应力发生在这一位置是与实际情况相符的，因为该位置处于根部有应力集中，并且是行星架承受扭矩截面最小的位置。从行星架应力分布整体来看，大部分位置应力小于200MPa。行星架材料的屈服强度大于630MPa，那么最小安全系数为1.25，通常标准要求安全系数大于1.1，结构安全。

图4为行星架位移云图，从图中可以看到行星架输出端位移比较大，最大值为1.6424mm。位移分布符合实际情况，事实上根据材料力学理论分析也印证了这一结果。行星架扭矩输入端在精力分析中可以假设扭转位移为零（即周向固定），六个轴孔处受到的力共同产生了扭矩，距离扭矩固定端越远，扭转刚度越小的位置位移越大。

4、结论

本文通过ANSYSY Workbench对行星架进行了有限元分析，得到了行星架的应力、位移分布，并对计算结果做了收敛性分析和支反力检查以保证计算的可靠性及精确性。