[發明專利]一種基于參數化有限元模型的風機主軸結構優化方法

有效

• 申請號: 202010318934.5
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111523267B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 祿盛;陳志翔;趙洋;馬瑩;陳翔;鄧聰穎
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務所 50215
• 代理人: 王海軍

本發明涉及風力發電機組關鍵零部件結構設計領域，特別涉及一種基于參數化有限元模型的風機主軸結構優化方法，包括建立主軸系統三維實體模型并根據該模型建立有限元模型；建立第一目標函數對主軸系統有限元模型進行拓撲優化，對優化后的模型進行幾何重構，獲得重構的主軸系統三維實體模型；對重構的主軸系統三維實體模型進行參數化，并建立重構的主軸系統的有限元模型；構建使得主軸危險截面的應力達到等應力水平、減小主軸質量的第二目標函數并求解，獲得重構的主軸系統三維實體模型的結構參數；本發明可極大縮短設計周期，能夠有效提高風機主軸剛度，減小風機主軸質量，降低成本。

技術領域

本發明涉及風力發電機組關鍵零部件結構設計領域，特別涉及一種基于參數化有限元模型的風機主軸結構優化方法。

背景技術

作為風力發電機組中關鍵承載和傳動部件的主軸，在風電投資總額中始終占有很大的比重。主軸前端聯接風輪輪轂，后端聯接齒輪箱行星架，在風機運行的過程中，主軸承受了輪轂傳遞過來的各種負載，并將扭矩傳遞給齒輪箱，將軸向推力、扭矩和彎矩傳遞給機座和塔架。因此，主軸要保證在嚴酷的環境下穩定運轉，其機械性能要求高，強度、塑性指標高，公差要求嚴格。主軸所處工況十分復雜，其系統性能的好壞，對整個機組運行的穩定性和可靠性影響巨大。風力發電機組主軸的結構設計一直是業界的重點和難點。現如今風機主軸大多采用鍛造生產，生產工藝復雜，生產周期長，制造成本高。與鍛造生產相比，鑄造生產在減重和成本方面優勢明顯，且使主軸結構設計更具靈活性，但現有技術中針對鑄造生產方式的主軸參數進行優化方法仍然較少。

發明內容

為了縮短以鑄造方式生產的風機主軸的設計周期，本發明提出一種基于參數化有限元模型的風機主軸結構優化方法，包括：

建立主軸系統三維實體模型并根據該模型建立主軸系統有限元模型；

采用拓撲優化方法將主軸系統有限元模型中的主軸作為設計區域，主軸系統有限元模型中的其他部分作為非設計區域；

以主軸質量和最大工作應力為約束、最大化主軸剛度為目標建立第一目標函數，采用拓撲優化方法求解第一目標函數，即對主軸系統有限元模型進行拓撲優化；

對優化后得到的主軸系統拓撲模型進行幾何重構，獲得重構的主軸系統三維實體模型；

針對重構得到的主軸系統三維實體模型進行參數化設計，并建立重構的主軸系統有限元模型；

基于重構的主軸系統有限元模型，構建使得主軸危險截面的應力達到等應力水平、減小主軸質量的第二目標函數；

利用優化算法對第二目標函數進行求解，得到重構的系統三維實體模型中主軸的結構參數。

進一步的，建立主軸系統的三維實體模型時，考慮載荷的傳遞路徑和非線性邊界條件，主軸系統的三維實體模型包括主軸與輪轂、風輪鎖緊盤、行星架、后軸承、后軸承座、主軸承、主軸承座、主軸承定距環、后軸承定距環。

進一步的，第一目標函數表示為：

其中，c(ρ_e)為結構柔度(柔度和為剛度的倒數，柔度最小即剛度最大)，U為節點位移矩陣，K為單元剛度矩陣，F為節點力矩陣，p為懲罰因子，u_e為單元e的節點位移矩陣，k₀為單元剛度，V₀為人為定的體積分數，v_e為單元e的體積分數，N為單元總數，ρ_e為單元e的材料密度，ρ_min為單元e最小材料密度。

優選的，求解第一目標函數采用的拓撲優化方法為變密度法或漸進結構法。

進一步的，主軸系統的有限元模型建立過程中滿足：

用1D單元模擬調心滾子，設置1D單元的剛度，使之與對應的軸承滾子剛度一致；