【摘 要】
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在风力发电机塔筒法兰连接系统中,高强度螺栓作为主要的连接件起着重要的连接作用,直接影响风力发电机的承载能力和安全性能。因此在风力发电机组服役状态下,高强度螺栓的失效往往会造成严重的风场事故并带来巨大的经济损失。而导致高强度螺栓失效的最主要形式为疲劳断裂,所以研究在风力发电机20年的设计使用寿命内高强度螺栓的疲劳寿命问题至关重要。本文以风力发电机塔筒法兰高强度螺栓为研究对象,考虑外载对疲劳损伤的影响
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在风力发电机塔筒法兰连接系统中,高强度螺栓作为主要的连接件起着重要的连接作用,直接影响风力发电机的承载能力和安全性能。因此在风力发电机组服役状态下,高强度螺栓的失效往往会造成严重的风场事故并带来巨大的经济损失。而导致高强度螺栓失效的最主要形式为疲劳断裂,所以研究在风力发电机20年的设计使用寿命内高强度螺栓的疲劳寿命问题至关重要。本文以风力发电机塔筒法兰高强度螺栓为研究对象,考虑外载对疲劳损伤的影响,建立一套对风力发电机塔筒法兰高强度螺栓疲劳寿命分析方法,探究塔筒法兰整圈连接螺栓的损伤分布规律,研究不同螺栓配合参数及预紧力对其疲劳寿命的影响规律。具体研究从以下几个方面展开:（1）以连接截面受力状况为损伤参考量,通过对风力发电机塔筒受力状况分析,借助塔筒等效模型确定最危险截面位置;采用Schmidt-Neuper算法获得塔筒任意扇面受到的外载,并基于传统工程计算方法研究外载与高强度螺栓内应力关系,依据高强度螺栓材料S-N曲线、平均应力修正、雨流计数法、疲劳累积损伤理论,建立高强度螺栓疲劳损伤分布模型。结果表明:最危险截面为法兰与基础环接触位置,最大累积损伤位置为-4.17°和175.87°,对应的疲劳累积损伤值分别是0.4841和0.5282。（2）基于高强度螺栓螺纹的螺旋模型、回转模型和模拟螺纹模型三种形式,研究不同模型对螺纹上等效Mises应力的影响规律,通过三种模型最大应力应变对比误差分析,探讨本项目中高强度螺栓服役环境下的最优螺纹模型;并基于最优螺纹模型,采用有限元分析方法对高强度螺栓连接结构进行疲劳寿命分析,确定整圈高强度螺栓疲劳累积损伤分布;对比研究有限元分析方法与传统工程计算方法对疲劳损伤分布影响,探讨引起两种不同结果的原因。结果表明:三种模型的最大应力位置均在第二号螺纹牙处。回转模型和模拟螺纹模型相对于螺旋模型的最小误差分别为1.58%和2.08%。考虑受力状态、计算精度等因素,选取螺旋模型螺纹最优。最大累积损伤在-4.17°和175.87°位置处,其最大疲劳损伤值分别为0.5432和0.5939。（3）通过分析不同因素对风力发电机塔筒法兰与基础环连接位置处M52高强度螺栓疲劳寿命的影响规律,优化高强度螺栓在施工过程中的作用参数。结果表明:当高强度螺栓与螺母螺纹配合圈数为9圈;高强度螺栓过渡圆角半径为0.625mm;高强度螺栓的螺栓预紧力比例施加范围在65%～75%之间;塔筒法兰与基础环连接位置处整圈高强度螺栓数目大于88个;塔筒法兰与基础环连接位置处法兰厚度在100～120mm之间时,连接用高强度螺栓可获得最优使用寿命。
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