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Abaqus重启动分析技术在风力机齿轮箱弹性支撑强度分析中的应用

作者：葛琪 黄友剑

来源：《计算机辅助工程》2013年第05期

摘要： 齿轮箱弹性支撑强度分析系统大、组件多、网格多和工况多，常规的有限元分析时间很长、效率很低.采用Abaqus的重启动分析技术，对风力机齿轮箱弹性支撑进行强度分析，将复杂分析工况进行简化，大大地缩短分析时间，提高分析效率，且对分析精度没有影响. 关键词： 重启动分析技术； 本构模型； Abaqus； 齿轮箱； 弹性支撑 中图分类号： U260.358；TB115.1文献标志码： B 引言

风能是一种清洁的永续能源.与传统能源相比，风力发电不依赖外部能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等环境成本.正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分.风能开发能减轻空气污染和水污染，但如果处理不当，则会增加噪声污染.

风力发电机组中的齿轮箱是—个重要的机械部件.作为传递动力的部件，齿轮箱在运行期间同时承受动、静载荷[1].齿轮箱正常工作时，其主要噪声来自于齿圈与齿轮的啮合，较好的解决办法是安装弹性支撑.利用齿轮箱弹性支撑，还可以减少从齿轮箱传递到机舱结构和塔架的振动，从而将齿轮箱的机械振动控制在规定的范围内. 1齿轮箱弹性支撑简介

本文的叠簧式齿轮箱减振支撑，主要用于4点支撑系统双轴承结构的风力发电机组当中，采用金属框架式结构，见图1.在齿轮箱扭力臂上、下各有一个橡胶垫.齿轮箱支撑安装时使上、下橡胶垫各产生一定的预压缩量，齿轮箱工作时的振动就在预压缩量的范围内进行. 图 1某齿轮箱的弹性支撑

在这种结构的传动系统中.齿轮箱的重量主要由低速轴来承担，减振支撑主要承受低速轴传递的力[2].依据齿轮箱载荷的特点，减振支撑的垂向刚度大，则扭转刚度大，其他方向刚度应尽量小.在齿轮箱支撑两端各有一个调节装置，使齿轮箱与主轴连接处受附加弯矩的作用；通过调整螺栓可实现对齿轮箱安装高度的微调，以避免系统出现过约束.同时，也可以调整减振支撑整体的刚度性能，以实现产品的变刚度设计.根据风力发电机组齿轮箱的工况与所承受载荷的不同，可以调整橡胶的硬度和预压缩量.

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这种齿轮箱弹性支撑具有出色的阻尼和减振性能，可大大减少结构噪声的传递，承载大，且安装方法简单，更换方便. 2载荷工况

齿轮箱弹性支撑不仅要承受垂向载荷的作用，还需承受横向载荷的作用.两种载荷作用前，都需要经过螺栓预紧力载荷.齿轮箱弹性支撑的所有载荷工况见表1. 3重启动分析的具体设置

重启动分析技术非常实用，而且设置非常简单.在Abaqus中，重启动分析可通过2种方式实现.

第一种是CAE方式：路径为model→edit attribute→restart，指定分析的job名称以及想要的重启动分析步和增量步，最后在job里指定重新创建的工作类型并restart即可. 第二种方式是修改INP文件：在INP文件中加入“*restart， read， strep=step1， INC=increment”.

4重启动分析结果对照

成功设置重启动分析步骤后，将重启动分析结果进行对比.齿轮箱弹性支撑重启动点设置在螺栓预紧力后，因此只需对比螺栓预紧力末的应力状态和LC2或LC3加载之前的应力状态即可.理论上，二者的应力状态应该一样.预紧力后以及LC2或LC3加载前的应力见图3，可知，重启动分析非常成功，二者的应力状态非常吻合，从而证实重启动分析的实用性.（a）预紧力末应力状态

5分析中用到的橡胶参数

对橡胶力学性能的描述方法通常有2类：一类是基于热力学统计的方法，其本构模型为多项式形式模型和Ogden形式模型等；另一类理论则认为橡胶为连续介质的现象学描述，其本构模型有ArrudaBoyce模型和Vander Waals模型等.从大量实验曲线拟合情况来看，每一种模型都仅能对某类特殊的曲线有较好的拟合能力.目前没有一种完全理想的模型能很好地拟合各种橡胶料的实验曲线.选择并确定一种拟合方法并得到反映这一实验曲线的材料参数，是有限元分析工作的重要步骤.Yeoh形式特别适合拟合形状类似于“S”形的应力应变曲线[3].Yeoh形式为减缩多项式的特殊形式，表达式为U=3i=1Ci0（1-3）i+3i=01Di（J-1）2i 用Yeoh形式拟合实验数据获取的一组参数见表2.用这组参数作为分析橡胶球铰的原始数据.当变形较小时，第一个系数代表初始剪切膜量；中等变形情况时，曲线软化，第二个系数为负值；大变形情况时，曲线变得坚挺，第三个系数为正值.

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表 2材料弹性和压缩性参数类型C10/D1C20/D2C30/D3弹性参数0.634-0.0660.021压缩性参数0.000 31-0.000 340.001 1 6结论

将重启动分析技术应用于风力电机齿轮箱弹性支撑强度分析，可得出如下结论. （1）重启动分析技术可应用于复杂载荷工况下的强度校核，极大地提升分析效率，且能保证计算精度不会降低.

（2）除用来提升分析效率外，重启动技术还可用于间断分析.可以先采用重启动分析技术，将其中一部分分析任务保存起来，后续分析任务进行更改后再进行分析，从而节约仿真分析资源. 参考文献：

[1]张志强. 叠层隔震橡胶球铰的研制[J]. 橡胶工业， 1998（9）： 545549.

[2]杨魁， 刘利平. 200 t公路桥梁盆式橡胶支座的研制[J]. 云南化工， 2003， 30（5）： 1820.

[3]Morman K N. Recent applications of Abaqus to the analysis of automotive rubber components[C]//Abaqus User’s Conf Proc， Newport Rhode Island， 1998： 2367. （编辑武晓英）