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風(fēng)電機組機艙罩為大型殼體結(jié)構(gòu)，用于保護(hù)機艙內(nèi)部機械和電氣部件免受陽光、雨雪等外部自然環(huán)境的影響。由于機艙罩主要起保護(hù)作用，所承受載荷主要是自重和部分外部載荷，所以機艙罩通常采用輕型材料制成。近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料憑借比重小、比強度大等良好的結(jié)構(gòu)特性，在風(fēng)電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，尤其適用于制造葉片、機艙罩和導(dǎo)流罩。
復(fù)合材料由兩種以上材料組合而成，其組合材料的選擇十分廣泛，具有良好的可設(shè)計性，它給工程設(shè)計提供了很大的自由度。但復(fù)合材料的不均勻性、各向異性和一定程度的不連續(xù)性等，使其結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題比均勻、連續(xù)和各向同性的材料要復(fù)雜得多，它在各種載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)問題也越來越多的受到關(guān)注。
隨著計算機輔助工程(CAE)技術(shù)的發(fā)展，采用有限元的方法對這些工程設(shè)計中遇到的力學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值仿真，以此作為設(shè)計工作的輔助手段，則能極大的提高工作效率。與試驗相比，計算機仿真具有周期短、費用低、有可重復(fù)性及可以獲得任意所需數(shù)據(jù)的優(yōu)越性。本文應(yīng)用ANSYS軟件對某2MW機艙罩進(jìn)行靜態(tài)仿真模擬，并對螺栓連接進(jìn)行有限元分析，從而保證結(jié)構(gòu)的可靠性，減少了試驗所需的大量費用，節(jié)省了研制時間，并帶來一定的經(jīng)濟效益。
在對機艙罩進(jìn)行強度分析時，根據(jù)GL規(guī)范中所規(guī)定的載荷及載荷系數(shù)的要求，考慮的載荷工況包括自重、風(fēng)載及活載(雪載、點載、維護(hù)、防護(hù))等，對于不同的載荷工況，有限元計算方法相同，所以本文僅以極限風(fēng)載一種工況為例進(jìn)行闡述。
根據(jù)國際電工委員會2007年發(fā)布的《風(fēng)力發(fā)電機組—第一部分安全要求》(IEC61400-1)標(biāo)準(zhǔn)，定義了4個不同的風(fēng)力發(fā)電機組等級，等級越高，其對應(yīng)的風(fēng)速越低。
根據(jù)安裝場地及場地類型，此2MW機艙罩安裝于III類風(fēng)場，選取50年一遇的極限風(fēng)速52.5m /s作為極限風(fēng)載計算模型的極限風(fēng)速。
根據(jù)德國CGL認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為機艙罩受極限風(fēng)載時，受風(fēng)前端面和后端面極限風(fēng)載利用系數(shù)分別為0.8和0.5，受風(fēng)側(cè)端面極限風(fēng)載利用系數(shù)為0.6；根據(jù)動量定理和流體伯努利方程可知，極限風(fēng)速條件下機艙罩單側(cè)受極限風(fēng)載的計算公式。
根據(jù)GL規(guī)范第6.4.3節(jié)要求，機艙罩結(jié)構(gòu)分析可忽略纖維間的失效分析，且機艙罩材料參數(shù)的確定由整體復(fù)合材料板的試驗數(shù)據(jù)得到，所以其結(jié)構(gòu)分析可采用均勻和連續(xù)的假定，使得求解的問題得到大大的簡化。
2MW機艙罩采用7mm的玻璃鋼制成，對7mm的玻璃鋼材料樣板進(jìn)行試驗，得到玻璃鋼整體材料特性。此2MW玻璃鋼機艙罩采用真空灌注工藝制成，約長10.4m，寬4.2m，高4.4m。對機艙罩的整體靜強度進(jìn)行有限元分析時，為了便于建立有限元模型，根據(jù)有限元理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)，對機艙罩的幾何模型作了如下簡化處理。
簡化掉了機艙罩上的一些對機艙罩強度分析影響不大的部分細(xì)節(jié)，僅取機艙殼體及加強板、加強筋及連接預(yù)埋鋼板，將彈性支撐簡化為3個方向的彈簧。
機艙罩屬大型殼體，為了更好的模擬其力學(xué)響應(yīng)，將幾何模型抽殼，采用殼單元進(jìn)行仿真模擬。網(wǎng)格劃分采用ANSYS WORKBENCH自帶模塊ANSYS MESHING進(jìn)行化網(wǎng)，基本單元尺寸設(shè)置為40mm，單元類型采用shell81單元。
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