浅析15mw级风力发电机轮毂的结构优化.doc

浅析1・5MW级风力发电机轮毂的结构优化摘要：本文以1.5MW级风力发电机轮毂为研究对象，先对轮毂进行 拓扑优化，验证拓扑结构，然后对轮毂进行自由尺寸优化，设计出一种新 型的轮毂结构，优化后的轮毂不仅在重量上有所降低，而且轮毂的强度也 得到了加强，疲劳寿命满足使用要求关键词：轮毂；拓扑优化；有限元法；尺寸优化【分类号】：TM315风力发电在起步较晚，过去几年国内生产的大型风电机组均采用 引进图样的方式生产在消化与吸收外国技术的基础上，风电行业需要大 胆改进产品技术，创造出适合中国特色的风力发电机，但是国内很少有人 系统地对风机关键部件进行结构优化轮毂在大型风力发电机传动系统中连接叶片和主轴，承受复杂的交变 载荷，这对轮毂强度提出很高的要求为了满足强度要求，有些轮毂设计 得非常笨重而且巨大，轮毂过重增加了制造成本，同时转动惯量过大增加 了系统控制难度，因此有必要对轮毂进行结构优化设计目前对优化问题最常用的算法是数学规划法，Altair公司的有限元软 件OptiStruct采用的凸规划対偶法，是当今最成熟也是应用最广泛的优 化软件本文以现国内风机行业主流产品1. 5MW双馈风力发电机的轮毂为 优化对象，首先对轮毂设计空间进行拓扑优化，验证轮毂拓扑形状并提出 改进意见，然后对轮毂进行减重结构优化，采用自宙尺寸优化方法，找出 轮毂具体的厚度分布，重新设计轮毂，计算轮毂结构极限静强度和疲劳强 度。

1轮毂的结构拓扑优化1.1建立有限元模型1. 5MW级风力发电机的轮毂连接三个叶片组成风轮，风轮扑捉风能， 然后通过主轴把风能传递给增速齿轮箱，有限元整个模型的建立包含轮 毂、叶片变桨轴承外圈和主轴法兰组成假设配套变桨轴承和主轴法兰结 构和尺寸已知，轮毂为一实心的柱体，其假设柱体为需要进行拓扑优化的 轮毂原始设计空间，变桨轴承和主轴法兰决定轮毂实心柱体边界条件的添 加轮毂受力分析：轮毂通过变桨轴承连接三个叶片轮毂承受叶片复杂 的载荷载荷加在三个MPC (Molti-Point Con-straint)中心点上，用以 表达叶片对轮毂的作用力力的大小和方向由Bladed软件计算得出，具 体为一极限载荷力主轴法兰与轮毂用螺栓固定连接，为了简化，模型轮 毂和主轴法兰建为一体，约束主轴法兰外侧所有节点的平动自由度采用 八节点六面体单元，单元大小为30伽，总单元数目为201859个1.2拓扑优化的数学解析拓扑优化的基本思路为变密度法变密度法就是人为的借助一种假想 的密度可变材料，人为设定物理参数与材料密度之间的关系优化时，以 单元的相对材料密度卩为设计变量，以卩二1和卩二0分别表示有和没有材 料，将拓扑优化问题转化为材料的最优分布问题。

这里轮毂拓扑优化目标 函数为结构应变能最小，约束条件为轮毂最大，材料von Mises应力不得 大于材料许用应力冃标函数：E (U)二f ( P ) min,设计变量：OW P W1,约束条件： W64MPa,式中：E (U)为结构应变能，是P的函数；P为单元的相对 材料密度；为材料von Mises应力用0ptiStuct软件进彳亍拓扑优化设 计，优化结果呈现如下特点：轮毂材料分布大致在一个空心球上为了进一步分析轮毂材料在空心球上分布的合理性，抽取轮毂的中性 而，把轮毂简化成壳单元模型，二次拓扑优化，优化边界载荷的加载同本 文第1.1节，优化结果如图1所示图1轮毂壳单元下的拓扑优化结果1.3验证轮毂的现有结构通过拓扑优化可知，在满足结构受力约束的条件下，轮毂形状为厚度 不均匀的空心球状，轮毂越靠近主轴法兰端面，其厚度越厚；球的大小与 拓扑优化设计空间的毛胚有关，可根据结构需要自行设计；从图1可以看 出，如果对轮毂减重有非常高的耍求，可以在轮毂中间开三个小孔，但是 开孔增加了铸造工艺难度，经过对强度对比计算后，证明开孔导致轮毂应 力增加综合考虑，轮毂被设计成球状，拓扑结构合理2轮毂的结构减重优化上面拓扑优化得出轮毂形状为空心球状，假设轮毂球半径不变，影响 轮毂重量最重要的因素为轮毂壁厚，自由尺寸优化将给出轮毂樂厚和舉厚 分布规律。

2.1建立轮毂的有限元模型由于轮毂结构复杂，且为薄舉构件，故抽取轮毂中性面，以四边形壳 单元划分轮毂单元尺寸30血，总单元数目为14598个采用与拓扑优化 相同工况，工况载荷加载在MPC中心节点上，约朿轮毂与主轴连接处法兰 外层节点为平动自由度轮毂为设计空间，轴承和主轴法兰为非设计空间, 建立有限元模型2. 2轮毂形状优化的数学解析自由形状优化设计变量为设计所有单元的厚度，设计目标为轮毂质量 最小，约朿条件为设计空I可内单元von Mises应力值小于材料许用应力， 且最小单元厚度大于30mm (由铸造工艺决定)为了不增加轮毂重量，最 大厚度设置为150mmo目标函数：3二cT?Amin,设计变量：A二(且1, &2,…, an) T,约朿条件：o (A) W［］, 30WaiW150,式中：3为轮毂质量; c为常数向量；cT为向量c的转置；A为设计变量；cii为第i个单元厚 度；o (A)为轮毂von Mises应力；［］为轮毂许用应力采用OptiStruct 软件进行轮毂的自由尺寸优化，优化过程中，轮毂质量的降低规律如图2 所示图2中横坐标代表优化迭代次数，纵坐标代表轮毂质量图2轮毂质量与迭代次数的关系曲线从优化结果可以看出，轮毂厚度最厚为120mm,位置在轮毂法兰与主 轴法兰连接处，大部分区域厚度为llOnrni,是轮毂最小边界厚度，厚度分 布规律为：越靠近轮毂法兰，厚度越厚，这与前曲拓扑优化结果相对应。

3轮毂的最终设计结果根据前面自由尺寸优化的结果，对所研究的轮毂进行改进设计，减小 了轮毂球半径，轮毂厚度参照自由尺寸优化的结果进行设计,并对改进后 的轮毂进行极限静强度和疲劳强度计算，改进前后轮毂静强度、疲劳寿命 及质量对比如下：静强度由原64Mpa减少至31. IMpa,疲劳寿命由1. 14E9 次增加到4. 96E11次，质量由原9. 21t降低到7. 89to4结束语木文针对.5MW级风力发电机轮毂的结构特点，从拓扑优化得到轮毂材 料分布和轮毂的粗略结构模型，进行自由尺寸优化得到轮毂的厚度分布规 律，对应力集中的地方进行局部形状优化，如改变倒角大小等，优化后轮 毂重量降低14. 3%,有一定的经济效益此方法设计的轮毂质量轻，强度 方曲可以满足使用要求，为1.5MW级风力发电机的研发、生产、销售产生 了积极的作用参考文献：[1] 李晶，鹿晓阳，陈世英•结构优化设计理论与方法研究进展[J]・ 工程建设，2007, 39 （6）： 21 — 31 ・[2] 孙靖民•机械优化设计（第3版）[M].北京：机械工业出版社, 2003. 6作者简介：1 •张振和，（1981年11月）男，汉族，大学本科，工程师，从事风力 发电机技术工作2•王江，（1987年1月）男，汉族，大学本科，助理工程师，从事风力发电机技术工作。