750kw风电齿轮箱箱体轻量化设计研究

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1、专业学位硕士学位论文750kW风电齿轮箱箱体轻量化设计研究ResearchonLight-weightDesignof750kWWindTurbineGearboxHousings作者姓名：尉巍工程领域：机械工程学号：41304010指导教师：王德伦教授王立军高级工程师完成日期：2017年12月大连理工大学DalianUniversityofTechnology大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要近年来，随着能源消耗逐年增长，环境问题频发，致使世界各国对风能的利用越来越重视，全球风电产业迅猛发展。风电

2、齿轮箱是风电机组中的核心部件，在日常运行中承受着严苛工况。齿轮箱箱体受载变形会极大影响轴承的运转和齿轮啮合的平稳性，从而影响着整个齿轮箱的性能和寿命。本文基于大连重工某型号750kW风电齿轮箱的设计研发，在保持或提升风电齿轮箱静态性能的前提下，对箱体进行结构轻量化研究。本项研究可大幅提升产品性能，降低产品生产及维护成本，主要内容如下：（1）介绍本次研究所用的有限元分析技术的基本原理、结构优化技术中的拓扑优化和尺寸优化的原理、数学模型及算法。介绍优化过程中所使用的HyperWorks、OptiStruc

3、t软件。（2）箱体有限元分析：使用CAD软件建立全部箱体（主箱体、后箱体、后盖）的几何模型并简化，导入HyperWorks软件中建立有限元分析模型，在忽略安装支架刚度的前提下使用非柔性支承进行约束，再根据箱体在传动系统中受到的两种极限载荷工况，对有限元模型进行求解，分析结果作为后续结构优化设计的参考依据。（3）结构构型设计：根据有限元分析结果，提出适合箱体优化设计的性能评价指标。以此作为基础，分两种情况建立拓扑优化模型：一种以最小加权柔度为目标函数，体积比为约束；另一种以最小质量为目标函数，柔度为约束

4、，兼顾考虑多种制造工艺约束对三个箱体展开结构构型优化设计和结构单元设计。（4）尺寸优化设计：以拓扑优化确定的新构型为基础，建立以壳单元厚度为优化变量，后盖轴承孔中心点位移量为约束条件，最小质量为优化目标的尺寸优化模型展开设计，依据尺寸优化结果改进结构确定轻量化方案。最后通过有限元静力学分析，从位移、应力、质量等角度同原始设计方案展开性能比对。同原始设计方案相比较，箱体总体减重9.73%，其中主箱体减重2.38%，后箱体减重12.52%，后盖减重12.03%。静态特性方面，DLC1.4工况下，最大位移降

5、低27.27%，后箱体-后盖中心轴线偏移量保持不变，最大应力降低11.58%；DLC2.1工况下，最大位移降低12.19%，中心轴线偏移量微增0.5%，最大应力降低8.51%。结果表明：箱体在静态特性有所提高的情况下，重量大幅度降低，实现了本次研究的目的。关键词：风电齿轮箱；箱体；结构设计；拓扑优化；尺寸优化-I-750kW风电齿轮箱箱体轻量化设计研究ResearchonLight-weightDesignof750kWWindTurbineGearboxHousingsAbstractInrecen

6、tyears,withtheenergyconsumptionincreasedyearbyyear,environmentalproblemsoccurfrequently,whichmakestheworldpaymoreattentionontheuseofwindenergy,andglobalwindpowerindustrydeveloprapidly.Windturbinegearbox(WTG)isthecorecomponentinthewindpowerequipment,whic

7、hbearstheharshworkconditionsinthedailyoperation.Gearboxhousingsaredeformedunderloads,itwilltakeasignificanteffectonbearing’srunningandgear’smeshing.Andthedeformationwillaffecttheperformanceandlifetimeofthewholegearboxfurther.Basedonthedevelopmentof750kW

8、WTGofDalianHuaruiHeavyIndustry(DHHI),thispaperresearchesthestructureoptimizationofthehousings,underthepremiseofmaintainingorliftingthestaticperformanceofWTG.Thisresearchcanimproveproductperformancesignificantly,reduceproductmanuf