[發明專利]風力發電機組軸承座的輕量化設計方法及其軸承座

有效

• 申請號: 202110382606.6
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN112949004B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 皮春琳;江鵬;韓佳;宮偉;楊微
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 重慶鼎慧峰合知識產權代理事務所(普通合伙) 50236
• 代理人: 劉立烈

本發明公開了一種風力發電機組軸承座的輕量化設計方法及其軸承座，包括：首先，基于軸承座的幾何模型構建有限元模型進行拓撲優化并重構幾何模型進行有限元分析，根據分析結果確定滿足軸承座強度要求的拓撲優化模型并確定拓撲優化模型的應力集中區域；最后，對拓撲優化模型中的應力集中區域對應的區域范圍進行形狀優化，得到軸承座的優化結構模型。軸承座包括軸承座主體、兩個連接部，兩個連接部設置在軸承座主體的兩側，軸承座主體表面開設兩條減重槽以減輕軸承座的重量。采用本發明的風力發電機組軸承座的輕量化設計方法，能夠充分挖掘其材料冗余量，保證軸承座結構滿足性能的前提下實現結構的輕量化，有效降低風力發電機組軸承座的成本。

技術領域

本發明涉及使用有限元方法計算機輔助設計技術領域，具體涉及一種風力發電機組軸承座的輕量化設計方法及其軸承座。

背景技術

軸承座是風力發電機組最關鍵的零部件之一，其作為主軸的主要支撐部件，軸承座良好的設計和可靠的性能是保證風電機組正常穩定運行的關鍵因素。傳統的軸承座設計方法一般是：首先，由結構設計工程師根據自身經驗和參考已有機組結構進行設計構型，然后，基于有限元方法對該構型進行極限強度和疲勞的分析，根據分析結果對該結構進行修改，最后，對修改后的構型再次采用有限元方法進行分析校核，重復以上過程，直至該結構滿足設計強度要求。由于傳統方法在材料分布上主要依靠人工進行設置，受到人為因素的影響較大，所以，采用傳統方法設計出的軸承座的材料冗余量較大，難以實現軸承座輕量化的目的。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提出一種風力發電機組軸承座的輕量化設計方法及其軸承座，通過拓撲優化獲得軸承座材料的合理分布，減少軸承座的材料冗余量，并在此基礎對軸承座的強度不滿足區域進行形狀優化，調整不合理設計，確保輕量化設計后軸承座的性能。

具體技術方案如下：

第一方面，提供了一種風力發電機組軸承座的輕量化設計方法，包括：

構造軸承座的幾何模型，并基于幾何模型構建軸承座的有限元模型進行拓撲優化，得到軸承座的拓撲優化模型，并確定該拓撲優化模型中的應力集中區域；

對所述拓撲優化模型中的應力集中區域對應的區域范圍進行形狀優化，得到軸承座的優化結構模型。

結合第一方面，在第一方面的第一種可實現方式中，構造軸承座的幾何模型，并基于幾何模型構建軸承座的有限元模型進行拓撲優化，包括：

構建軸承座的幾何模型；

基于所述幾何模型構建有限元模型進行拓撲優化，根據拓撲優化結果構建所述軸承座的拓撲優化幾何模型；

根據拓撲優化幾何模型構建有限元驗證模型，并根據軸承座性能要求對有限元驗證模型進行驗證，響應于拓撲優化幾何模型未滿足軸承座性能要求，根據驗證結果調整拓撲優化幾何模型并重新進行驗證，直至拓撲優化幾何模型滿足軸承座性能要求；

根據最終的驗證結果確定所述拓撲優化模型和應力集中區域。

結合第一方面的第一種可實現方式，在第一方面的第二種可實現方式中，其特征在于，對所述幾何模型進行拓撲優化的目標函數為各工況下軸承座最大應變能值最小，約束條件為軸承座體積等于初始體積的35％。

結合第一方面，在第一方面的第三種可實現方式中，對所述拓撲優化模型中的應力集中區域進行形狀優化，包括：

在所述拓撲優化模型的應力集中區域對應的區域范圍內設定設計節點組和設計節點對應的網格平滑節點組，構建用于形狀優化的有限元模型；

對用于形狀優化的有限元模型進行有限元分析，并根據分析結果構建軸承座的形狀優化幾何模型；