風(fēng)電主軸制動器摩擦副熱力耦合及其模型可信性評估.pdf

1、當(dāng)今能源短缺問題日益突出，風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保、取之不竭的可再生能源，受到世界各國的廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要途徑，而主軸制動器是風(fēng)力發(fā)電機（下稱“風(fēng)電”）制動系統(tǒng)的主要組成部分，在其制動過程中扮演著無可替代的作用。主軸制動器制動中涉及熱與力間的相互耦合，摩擦副在摩擦力的作用下產(chǎn)生不均勻的溫度場，而不均勻的溫度場引起不均勻的應(yīng)力場，摩擦副在反復(fù)的制動過程中，易引發(fā)熱疲勞。針對熱力耦合的有限元分析，隨著計算機仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿

2、真模型可信性問題也越來越被重視。
　　本文針對風(fēng)力發(fā)電機主軸制動器摩擦副，采用ABAQUS非線性有限元分析軟件建立有限元分析模型，在正常制動工況和緊急制動工況下，分析了應(yīng)力場和溫度場的分布情況，探究了制動盤在交變循環(huán)熱應(yīng)力作用下制動盤裂紋等失效形式產(chǎn)生的原因，在此基礎(chǔ)上，對制動器疲勞壽命進行了預(yù)測，采用響應(yīng)面法對風(fēng)電主軸制動器摩擦副熱力耦合模型進行了可信性評估。研究方法也適合偏航制動器或其他盤式制動器摩擦副熱力耦合問題。
　

3、　本文主要研究工作和成果如下：
　　1）建立了摩擦副幾何模型和有限元模型，對比分析了不同工況下摩擦副溫度場和應(yīng)力場分布趨勢。發(fā)現(xiàn)不同工況下溫度場都是不均勻分布的，且呈現(xiàn)環(huán)狀溫度帶，在徑向和軸向溫度差較大，而周向較小，摩擦區(qū)域溫度大于非摩擦區(qū)域，制動盤內(nèi)徑附近溫度變化較小；在整個制動過程中，制動盤溫度先增高后逐漸減少，且呈現(xiàn)鋸齒狀變化；緊急制動制動盤最高溫度高于正常制動下，故在緊急制動下制動盤更易產(chǎn)生破壞。
　　2）制動盤應(yīng)力

4、場分布與溫度場相似，呈現(xiàn)環(huán)狀應(yīng)力帶，由于制動盤熱流輸入和對流換熱的交替作用，使得應(yīng)力隨時間變化曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，并且緊急制動工況下制動盤最大應(yīng)力大于正常制動下；對最大應(yīng)力的三向應(yīng)力分量進行了分析，發(fā)現(xiàn)周向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，因此，周向應(yīng)力是導(dǎo)致制動盤疲勞裂紋的主要應(yīng)力分量，因此在周向應(yīng)力作用下制動盤易產(chǎn)生徑向裂紋。
　　3）對比了直接耦合和間接耦合方法下摩擦副熱力耦合結(jié)果的差異，發(fā)現(xiàn)兩種不同耦合方法下，制動盤溫度場和應(yīng)力場分

5、布相似，但在直接耦合法下，制動盤最高溫度和最大應(yīng)力均位于摩擦區(qū)域內(nèi)，并且在實際工程中制動盤裂紋也發(fā)生在摩擦區(qū)域內(nèi)，因此采用直接耦合法求解熱力耦合問題更加符合真實情況。
　　4）基于摩擦副熱力直接耦合分析結(jié)果，結(jié)合FE-SAFE疲勞分析軟件，基于曼森-科芬疲勞預(yù)測模型，考慮制動盤循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到了制動盤在整個壽命周期制動次數(shù)為4648，并且出現(xiàn)在制動盤最大應(yīng)力處。
　　5）以材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度作為響應(yīng)面函數(shù)的自變

6、量，以中心復(fù)合試驗設(shè)計法，得到了設(shè)計參數(shù)空間內(nèi)的樣本點。對設(shè)計參數(shù)進行了顯著性檢驗，運用逐步回歸獲得了響應(yīng)面模型，對響應(yīng)面模型進行了精度驗證，得到 R2判定系數(shù)為0.9647，相對均方根誤差為0.0032，表明響應(yīng)面能夠較準確地代替有限元模型，響應(yīng)面編碼形式代理模型y=299.68-17.96A+7.14B-19.18C-4.3 BC+4.18A2-10.67B2-20.01A2B。
　　6）考慮隨機變量服從正態(tài)分布，利用蒙特卡洛