浅谈15mw级风力发电机轮毂结构优化

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1、浅谈1.5MW级风力发电机轮毂结构优化摘要：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穀结构，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风力发电在中国起步较晚，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

2、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采用的凸规划对偶法，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，采用自由尺寸优化方法，找出轮毂具体的厚度分布，重新设计

3、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。轮穀承受叶片复杂的载荷。载荷加在三个MPC(Molti-PointCon-straint)中心点上，用以表达叶片对轮毂的作用力。

4、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，模型轮穀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30mm，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P为设计变量，以P=1和P=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vonMis

5、es应力不得大于材料许用应力。目标函数：E(U)二f(P)min,设计变量：(XP^1,约束条件：S彡64MPa，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；S为材料vonMises应力。用OptiStuct软件进行拓扑优化设计，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，抽取轮毂的中性面，把轮穀简化成壳单元模型，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。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，轮穀形状为厚度

6、不均匀的空心球状，轮穀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要求，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壁厚和壁厚分布规律。2.1建立轮毂的有限元模型由于轮毂结构复杂，且为薄壁构件，故抽取轮穀中性面，以四边形壳单元划分轮毂。单元尺寸30m

7、m，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，约束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，约束条件为设计空间内单元vonMises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150mm。an目标函数：o=cT•Amin,设计变量：A=(al，a2,T，约束条件：o(A)彡［o］，30