风力机传动系统流固热耦合及可靠性研究PDF电子书下载

1绪论 1

1.1 课题背景及课题来源 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 研究意义及目的 3

1.1.3 课题来源 4

1.2 风力机传动系统 4

1.2.1 传动系统概述 4

1.2.2 研究现状 6

1.3 相关领域研究现状 7

1.3.1 风力机气动载荷研究 7

1.3.2 传动系统的振动特性研究 10

1.3.3 虚拟实验技术研究现状 12

1.3.4 流固耦合分析研究现状 13

1.3.5 机械可靠性灵敏度研究现状 14

1.3.6 耦合热分析的研究现状 15

1.4 本书的主要研究工作 19

2风力机空气动力载荷工程计算 22

2.1 概述 22

2.1.1 风力机载荷 22

2.1.2 坐标系 23

2.1.3 坐标系的转换 24

2.2 Weibull风速分布数学模型 25

2.3 空气动力载荷 29

2.3.1 时变气动载荷 29

2.3.2 湍流载荷 31

2.3.3 尾流互扰载荷 34

2.3.4 空气密度变化引起的载荷变化 36

2.4 其他载荷 37

2.4.1 惯性载荷 37

2.4.2 重力载荷 37

2.4.3 冰载荷 37

2.4.4 地震载荷 38

2.5 风力机运行载荷 39

2.5.1 风切变对风力机载荷影响 39

2.5.2 机械制动载荷 39

2.5.3 塔影效应 40

2.6 风力机流固耦合理论分析 40

2.6.1 流体控制方程 41

2.6.2 固体控制方程 42

2.6.3 流固耦合方程 42

2.7 计算实例 43

2.7.1 风力机工程简化 43

2.7.2 计算结果 44

2.8 小结 46

3稳定气流作用下风力机传动系统振动及动力学分析 47

3.1 概述 47

3.2 传动系统虚拟样机的建立 47

3.3 具有运动自由度的传动系统模态分析 50

3.3.1 单自由度体系的振动 50

3.3.2 随机振动分析 51

3.3.3 多自由度体系的线性反映分析 51

3.3.4 计算实例 52

3.4 传动系统谐响应分析 54

3.4.1 计算方法 54

3.4.2 计算实例 55

3.5 传动系统谱分析 56

3.5.1 随机振动方法 56

3.5.2 气动载荷随机振动分析 57

3.5.3 平稳随机过程的谱参数 58

3.5.4 随机连续体的固有值分析 59

3.5.5 功率谱密度响应和均方根响应 60

3.5.6 计算实例 61

3.6 瞬态动力学分析 62

3.6.1 冲击动态响应分析一般方法 62

3.6.2 传动系统冲击动态响应有限元分析 65

3.6.3 计算实例 67

3.7 接触分析 68

3.7.1 接触算法 69

3.7.2 接触摩擦模型 69

3.7.3 计算实例 70

3.8 小结 72

4考虑结构特征下风力机传动系统振动特性研究 73

4.1 概述 73

4.2 传动系统固有特征 73

4.2.1 分析方法及流程 75

4.2.2 传动系统有限元模型 75

4.3 传动系统模态及机械敏感度分析 77

4.3.1 传动系统模态及固有频率 77

4.3.2 固有频率对传动系统参数的敏感度 80

4.4 传动系统结构振动特性实验分析 82

4.4.1 传动系统数据采集平台 82

4.4.2 运行参数对传动系统振动特性的影响 85

4.4.3 传动系统的动态激励分析 91

4.5 小结 95

5综合载荷作用下传动系统振动特性及机械可靠性灵敏度分析 97

5.1 概述 97

5.2 风力机传动系统静力学分析 97

5.3 风力机传动系统动力特性分析 100

5.3.1 分析流程 100

5.3.2 风力机模型的建立 101

5.3.3 气动载荷的作用过程 102

5.3.4 轮毂—主轴—主轴轴承传动系统瞬态动力学分析 104

5.3.5 考虑运行载荷下齿轮箱—高速轴—发电机传动系统振动谱分析 107

5.4 传动系统机械可靠性灵敏度分析 108

5.4.1 分析方法 108

5.4.2 传动系统机械可靠性模型 111

5.4.3 考虑运行载荷作用下风力机传动系统动态可靠性分析 112

5.5 小结 119

6基于热变形的齿轮副非渐开线误差分析 120

6.1 概述 120

6.2 齿轮热变形基本理论 120

6.3 齿轮副虚拟样机的建立 122

6.3.1 齿廓曲线的参数方程 122

6.3.2 全齿实体模型的建立 124

6.4 齿轮稳态温度场有限元分析 125

6.4.1 导热微分方程和定解条件的确定 125

6.4.2 齿轮各边界条件的确定 126

6.4.3 热载荷的确定 127

6.5 齿轮瞬态温度场有限元分析 132

6.5.1 导热微分方程和定解条件的确定 132

6.5.2 齿轮瞬态热分析的有限元方法 133

6.5.3 边界条件的加载 134

6.6 齿轮热—结构耦合有限元分析 135

6.7 热变形引起的非渐开线误差计算 137

6.8 计算实例 138

6.8.1 齿轮副有限元模型的建立 138

6.8.2 齿轮副热—结构耦合的有限元分析 140

6.8.3 齿轮副热变形的计算 142

6.9 小结 143

7基于热分析的齿轮模态及共振可靠性灵敏度分析 144

7.1 概述 144

7.2 温度影响模态的基本理论 144

7.2.1 模态分析理论 144

7.2.2 温度对结构模态的影响机制 146

7.2.3 热应力的理论基础 146

7.3 考虑温度场的齿轮模态分析 147

7.3.1 分析方法及流程 147

7.3.2 求解齿轮热应力 149

7.3.3 ANSYS的模态分析 149

7.4 齿轮共振可靠性及灵敏度分析方法 150

7.4.1 齿轮共振失效分析 150

7.4.2 Monte Carlo模拟法 150

7.4.3 ANSYS概率有限元法 151

7.5 计算实例 153

7.5.1 齿轮轴有限元模型的建立 153

7.5.2 求解齿轮轴热应力 153

7.5.3 考虑温度场的齿轮轴模态分析 154

7.5.4 基于热分析的齿轮振动可靠性及灵敏度分析 159

7.6 小结 162

8齿轮热弹耦合特性分析 164

8.1 概述 164

8.2 热弹耦合接触有限元法 164

8.2.1 接触传热迭代过程 164

8.2.2 弹性接触迭代过程 165

8.2.3 耦合迭代求解 166

8.3 基于ANSYS求解热弹性耦合分析 166

8.3.1 热弹耦合结构分析接触类型的确定 166

8.3.2 热弹耦合结构分析接触算法的确定 167

8.3.3 热弹耦合有限元模型的建立 168

8.3.4 热弹耦合接触分析流程图 168

8.4 响应面-Monte Carlo可靠性灵敏度分析方法 170

8.4.1 响应面法 170

8.4.2 建立齿面接触强度的极限状态函数 172

8.4.3 Monte Carlo可靠性灵敏度分析 172

8.5 计算实例 173

8.5.1 热弹耦合接触应力的提取 173

8.5.2 响应面法拟合极限状态函数 174

8.5.3 极限状态函数的Monte Carlo可靠性灵敏度分析 175

8.6 小结 177

9考虑装配误差的轴系结构静力学及灵敏度分析 178

9.1 概述 178

9.2 求解接触问题的有限元法 179

9.3 基于Pro/E的轴系结构模型的建立 180

9.3.1 渐开线直齿圆柱齿轮模型的建立和装配 180

9.3.2 滚动轴承模型的建立 181

9.3.3 轴系整体结构模型的装配 181

9.4 轴系结构的有限元分析 182

9.4.1 轴系结构有限元模型的建立 182

9.4.2 轴系结构接触对的建立 183

9.4.3 边界条件和载荷的确定 183

9.4.4 迭代求解方法 184

9.5 考虑装配误差的轴系结构静力学对比分析 184

9.6 轴系结构可靠性灵敏度分析 185

9.7 计算实例 185

9.7.1 轴系结构的有限元求解 185

9.7.2 考虑轴不平行的轴系结构静态对比分析 187

9.7.3 考虑轴不平行的齿轮静态对比分析 187

9.7.4 考虑轴不平行的滚动轴承静态对比分析 188

9.7.5 轴系结构可靠性灵敏度分析 191

9.8 小结 194

10考虑装配误差和轴承径向游隙的轴系结构动力学及灵敏度分析 196

10.1 概述 196

10.2 轴系结构的动力学分析流程 196

10.3 轴系结构的动力学分析方法 197

10.3.1 轴系结构的有限元模型的建立 197

10.3.2 动力学求解的参数设置 198

10.4 考虑装配误差的轴系结构动力学分析 201

10.5 考虑轴承径向游隙的轴系结构动力学分析 201

10.6 轴系结构可靠性灵敏度分析 202

10.7 计算实例 202

10.7.1 轴系结构动力学分析 202

10.7.2 考虑装配误差的轴系结构动力学对比分析 206

10.7.3 考虑轴承径向游隙的轴系结构动力学分析 209

10.7.4 轴系结构可靠性灵敏度分析 213

10.8 小结 216

11结论 218

参考文献 221