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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