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风力发电机组橡胶减振器的有限元仿真分析

作者：株洲时代新材林胜袁健

摘要：本文用有限元方法通过ANSYS软件对JF600型风力发电机组的电机减振器进行

了仿真计算分析，以确定减振器产品橡胶材料的选用。另外通过对减振器刚度的试验值和

有限元方法的计算值对比分析，评价了有限元模型和产品试验方法的正确性。

关键词：风力发电机橡胶减振器有限元仿真

1.前言

随着全世界风力发电装机容量的快速发展和风力发电机技术的成熟和不断完善，风力发电

越来越成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。利用风力发电能为人们提供洁净的

能源，但由发电机组工作时产生的振动及振动所引起的噪声问题也不容忽视。为减小机械

部件的振动，通常采用弹性连接代替刚性连接，如在电机和齿轮箱与机舱之间安装橡胶弹

簧减振器来降低电机和变速箱产生的振动向机舱传递。本文运用有限元分析技术对JF600

型发电机组的电机减振器进行了仿真分析计算，来验证产品的试验方法，并对产品设计过

程中关键材料—橡胶的配方设计提供指导依据。

2减振器产品结构

JF600机组电机减振器是由金属和橡胶组成的金属—橡胶复合减振器，主要由1上连接

板、2橡胶弹簧、3下安装板等主要部分组成，如图1所示，橡胶弹簧采用斜置式，同时

承受压缩和剪切变形。产品外形见图2。

图1600kW发电机减振器剖示图

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图2产品实物照片图

3有限元分析过程

3.1材料参数

材料参数是影响有限元分析结果的关键因素之一，对于橡胶产品的分析这一点尤其重要，

所以橡胶材料力学性能正确的试验方法和准确的试验数据是保证产品有限元分析计算结果

有效性的基础。为了得到准确的试验数据，株洲时代新材料科技股份有限公司委托美国

AXEL实验室做了4种配方的材料力学性能试验，本文以其中1种配方试验数据为例来

对产品结构进行仿真分析计算。

天然橡胶材料因产品的加卸载过程耗能少，因此，可近似认为橡胶材料是超弹性材料，对

于超弹性材料，分析计算时不用杨氏模量和泊松比表示应力——应变关系，而用应变势能

（U）来表示应力—应变关系。应变势能表达式如下：

式中：

U—应变势能

Jel—弹性体积比

i1、i2—应变不变量

Di—定义材料的压缩性

Cij—Rinvlin系数

本文利用ANSYS5.7版本的Odgen（N=3）的模型进行分析。图3列出了减振器所用的

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一种橡胶材料的力学性能试验数据，即单轴拉伸、双轴拉伸和平面拉伸三种试验数据。

图3橡胶试样的三种拉伸试验曲线

3.2有限元模型

本次分析采用ANSYS有限元分析软件对产品进行垂向性能分析。根据产品的结构和载荷

特点，采用轴对称平面单元56模拟橡胶结构、轴对称平面单元42模拟铁件结构，有限

元模型如图4所示：

图4电机减振器有限元模型

3.3约束与载荷

如图5所示，在减振器下连接板的底部完全约束，在上连接板的上表面施加垂向载荷。

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图5约束及载荷示意图

3.4分析结果

由图6可知，产品在垂向载荷作用下橡胶发生剪切和压缩变形，由于橡胶泊松比接近0.5，

几乎不可压缩，若垂向变形较大，橡胶将会从上下端面逐渐向外鼓。由图7可知铁件在该

载荷作用下，下安装板上的最大应力为15.4MPa，如图中圆圈所示；其次受力较大的为橡

胶弹簧重的3片隔片，上安装板的应力最小。

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图6产品垂向承载10.5kN变形分布图图7产品在承载10.5kN时铁件应力分布图

由图8可知橡胶上的最大应力为1.08MPa，各层橡胶在该载荷下的应力均较小。由图9可

知产品的刚度具