1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組橡膠減振器的有限元仿真分析作者：株洲時代新材林勝袁健摘要：本文用有限元方法通過 ANSYS 軟件對JF600型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電機(jī)減振器進(jìn)行 了仿真計(jì)算分析,以確定減振器產(chǎn)品橡膠材料的選用。另外通過對減振器剛度的試驗(yàn)值和 有限元方法的計(jì)算值對比分析，評價(jià)了有限元模型和產(chǎn)品試驗(yàn)方法的正確性。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)橡膠減振器有限元仿真.前言隨著全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的快速發(fā)展和風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的成熟和不斷完善，風(fēng)力發(fā)電 越來越成為世界各國更加重視和重點(diǎn)開發(fā)的能源之一。利用風(fēng)力發(fā)電能為人們提供潔凈的 能源，但由發(fā)電機(jī)組工作時產(chǎn)生的振動及振動所引起的噪聲問題也不容忽視。為減小機(jī)械 部件的振動，通常

2、采用彈性連接代替剛性連接，如在電機(jī)和齒輪箱與機(jī)艙之間安裝橡膠彈簧減振器來降低電機(jī)和變速箱產(chǎn)生的振動向機(jī)艙傳遞。本文運(yùn)用有限元分析技術(shù)對JF600型發(fā)電機(jī)組的電機(jī)減振器進(jìn)行了仿真分析計(jì)算，來驗(yàn)證產(chǎn)品的試驗(yàn)方法，并對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過 程中關(guān)鍵材料一橡膠的配方設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。2減振器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)JF600機(jī)組電機(jī)減振器是由金屬和橡膠組成的金屬一橡膠復(fù)合減振器，主要由 1上連接板、2橡膠彈簧、3下安裝板等主要部分組成，如圖 1所示，橡膠彈簧采用斜置式，同時承受壓縮和剪切變形。產(chǎn)品外形見圖2。圖1 600kW發(fā)電機(jī)減振器剖示圖圖2產(chǎn)品實(shí)物照片圖3有限元分析過程材料參數(shù)材料參數(shù)是影響有限元分析結(jié)果的關(guān)鍵因素之一，

3、對于橡膠產(chǎn)品的分析這一點(diǎn)尤其重要， 所以橡膠材料力學(xué)性能正確的試驗(yàn)方法和準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是保證產(chǎn)品有限元分析計(jì)算結(jié)果有效性的基礎(chǔ)。為了得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，株洲時代新材料科技股份有限公司委托美國AXEL實(shí)驗(yàn)室做了 4種配方的材料力學(xué)性能試驗(yàn)，本文以其中 1種配方試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例來 對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析計(jì)算。天然橡膠材料因產(chǎn)品的加卸載過程耗能少，因此，可近似認(rèn)為橡膠材料是超彈性材料，對于超彈性材料，分析計(jì)算時不用楊氏模量和泊松比表示應(yīng)力一一應(yīng)變關(guān)系，而用應(yīng)變勢能(U)來表示應(yīng)力 一應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)變勢能表達(dá)式如下：式中：U 一應(yīng)變勢能Jel一彈性體積比i1、i2應(yīng)變不變量Di一定義材料的壓縮性Cij Ri

4、nvlin 系數(shù) 本文利用 ANSYS5.7 版本的Odgen ( N=3 )的模型進(jìn)行分析。圖 3列出了減振器所用的一種橡膠材料的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即單軸拉伸、雙軸拉伸和平面拉伸三種試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3橡膠試樣的三種拉伸試驗(yàn)曲線有限元模型本次分析采用 ANSYS有限元分析軟件對產(chǎn)品進(jìn)行垂向性能分析。 根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和載荷 特點(diǎn)，采用軸對稱平面單元 56模擬橡膠結(jié)構(gòu)、軸對稱平面單元 42模擬鐵件結(jié)構(gòu)，有限元模型如圖4所示：圖4電機(jī)減振器有限元模型約束與載荷如圖5所示，在減振器下連接板的底部完全約束，在上連接板的上表面施加垂向載荷。談曲約束圖5約束及載荷示意圖分析結(jié)果由圖6可知，產(chǎn)品在垂向載荷作用下橡

5、膠發(fā)生剪切和壓縮變形，由于橡膠泊松比接近 0.5,幾乎不可壓縮，若垂向變形較大，橡膠將會從上下端面逐漸向外鼓。由圖 7可知鐵件在該 載荷作用下，下安裝板上的最大應(yīng)力為15.4MPa ,如圖中圓圈所示；其次受力較大的為橡膠彈簧重的3片隔片，上安裝板的應(yīng)力最小。圖6產(chǎn)品垂向承載10.5kN變形分布圖圖7產(chǎn)品在承載10.5kN時鐵件應(yīng)力分布圖由圖8可知橡膠上的最大應(yīng)力為 1.08MPa，各層橡膠在該載荷下的應(yīng)力均較小。 由圖9可 知產(chǎn)品的剛度具有一定的非線性，隨著載荷的增大剛度有所增加，其中垂向變形01 mm之間的剛度計(jì)算值為 7.83kN/mm 。圖8挎性在垂向瓦敝】05kN時府力行布耳泛9嚴(yán)翳闡

6、度陰淺4試驗(yàn)結(jié)果按株洲時代新材料科技股份有限公司的企標(biāo)QB001-1996 ,采用萬能試驗(yàn)機(jī)對 JF600型電機(jī)減振器產(chǎn)品進(jìn)行剛度試驗(yàn)，當(dāng)變形在01mm之間時，產(chǎn)品的剛度試驗(yàn)值為9.4kN/mm 。由上文的仿真計(jì)算結(jié)果可知，變形在 01mm之間時，產(chǎn)品的剛度計(jì)算值為 7.83kN/mm ,仿真分析計(jì)算值與試驗(yàn)值相差約17 %左右。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，主要原因是橡膠減振器成型工藝較復(fù)雜，硫化過程中溫度、壓力以及硫化時間等的變 化對橡膠材料性能有較大影響，因此產(chǎn)品中的橡膠材料的力學(xué)特性與試樣材料的力學(xué)特性 不能保證完全相同；其次是有限元分析中的模型進(jìn)行了簡化、載荷約束條件的施加與試驗(yàn) 室試驗(yàn)時也不可能完全一致的原因。5結(jié)論分析該產(chǎn)品的用戶提出設(shè)計(jì)剛度為8.5kN 15%,從計(jì)算結(jié)果7.83kN/mm 和試驗(yàn)結(jié)果9.4kN/mm可知，本文計(jì)算的橡膠減震器所選用的橡膠材料能滿足設(shè)計(jì)要求；仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，但基本可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要，因此仿真分析為橡膠減振器的設(shè)計(jì)提供了捷徑；隨著仿真技術(shù)不斷地應(yīng)用于橡膠減振器的結(jié)構(gòu)分析，可以提高國內(nèi)減振器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水 平，縮短開發(fā)周期和減少開發(fā)成本。1風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的靜、動態(tài)特性有限元分析謝峰 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院2橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用 龔積球上海交通大學(xué)3有限單元法原理與應(yīng)用 朱伯芳水利電力出版社4 ANSY