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基于HyperWorks风电机组前机架的结构优化

2018/7/4    来源:Altair    作者:刘彪  刘恒山  潘文豪      
关键字:风电机组  前机架  结构优化  HyperWorks  
为减轻风电机组重量、降低制造成本,在保证结构性能指标的条件下,基于Altair公司HyperWorks分析平台对机架进行结构优化设计。

1 概述

    结构优化作为现代结构设计方法,按照设计变量的类型通常把结构优化分划为3个层次:拓扑优化、形状优化和结构尺寸优化。三者分别对应于不同的设计阶段,即概念设计阶段、基本设计阶段与详细设计阶段。作为结构优化领域的前沿研究课题,结构拓扑优化是一种根据载荷、约束及优化目标寻求结构材料最佳分步的优化方法。拓扑优化通过改进结构的拓扑形式,可大大提高结构的性能和减轻结构的重量。目前,连续体结构拓扑优化已经相对成熟,研究较多的方法主要有均匀化方法、变厚度法、变密度法及进化结构法等。连续体结构拓扑优化已在许多工程领域得到应用,如用于风电机组齿轮箱和轮毂结构的设计上。随着计算机技术的发展,产生了一系列可辅助进行结构拓扑设计的软件,Altair公司的OptiStruct就是其中之一。

    随着现代制造水平、材料工业等领域科技水平不断提高,为了提高风力发电效率,降低发电成本,风电机组正面向增加单机功率、减轻整机重量和提高机组可靠性的方向发展。因此,大兆瓦风电机组的优化设计将成为风电装备制造业的研发重点。机架是连接风轮和塔架之间重要的承载部件,主要承受主轴传过来的轮毂中心载荷,齿轮箱、发电机和偏航电机的载荷。作为机组的核心部件,成本约占总成本的10%。目前机架的结构与形状设计还是停留在粗放式设计阶段,使得机架的结构粗糙、体积大、重量大,造成机架成本高和性能的非最优化。特别是在大功率机架的结构设计中,这种保守而又粗放式的设计方法难以满足大兆瓦风电机架的高功率密度、高可靠性和低成本要求,如何设计合理的机架结构和参数,使部件的性能都得到充分发挥,成为各大企业的研究重点。

    本文基于Altair公司的HyperWorks软件平台,对2MW机架进行拓扑优化设计。首先,利用其前处理软件HyperMesh进行优化问题的建模,并设置前机架的拓扑优化设计参数;然后,应用其优化求解器OptiStruct进行求解;根据得到的结构拓扑对机架结构进行模型重构,并进行校核分析,最终得到满足质量、结构强度和疲劳强度要求的机架结构。

2 前机架拓扑优化设计

    2.1 前机架

前机架几何模型

图1 前机架几何模型

    简化细小特征后的前机架结构形式如图1所示,材料为QT400-18AL(材料参数为:密度ρ:7.1E-09ton/mm3,杨氏模量E:1.69E05N/mm2,泊松比μ:0.275),质量为11798kg。其许用应力为220Mpa,GL要求的材料最小安全系数为1.1。所以设许用应力为200Mpa。有限元模型包括前机架、主轴承座、主轴、齿轮箱假体、后机架、偏航轴承、偏航刹车盘和部分塔架,以及连接在后机架上的各部件重心和齿轮箱重心。各质量单元通过约束方程连接在后机架和齿轮箱假体上。

    前机架采用四面体实体单元来模拟,并在其表面铺一层0.001mm厚的SHELL181壳单元来进行疲劳强度校核;主轴通过梁单元来模拟,载荷采用约束方程通过主轴梁单元传递到主轴承座和齿轮箱假体上。主轴与主轴承座之间用RBE3连接,约束主轴三个方向上的平动;主轴与齿轮箱假体之间用RBE3连接,约束主轴径向的两个平动自由度以及转动自由度;主轴承座与前机架、主齿箱支撑与前机架以及前机架与后机架之间用MPC绑定接触连接;用实体单元模拟偏航轴承,偏航轴承与主机架、塔架都用MPC绑定接触连接。

    2.2 极限载荷工况及坐标系

    极限静载荷工况取轮毂固定坐标系下Mx、My、Mz及Mres的极限包络载荷计算(见表1),载荷坐标系如图2所示,坐标原点位于轮毂中心。

表1 极限载荷工况

极限载荷工况

载荷坐标系

图2 载荷坐标系

    2.3 拓扑优化设置

    如图3所示,前机架优化空间为绿色区域,上侧6个和右侧2个蓝色的接触连接区域和底板涉及因素较多,为非优化区域。以体积分数和加权应变能为优化响应,优化目标是加权应变能最小,优化约束为体积分数Vf=0.7。

前机架有限元模型

图3 前机架有限元模型。其中:优化区域为绿色,非优化区域为蓝色。

责任编辑:程玥
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