大功率风力发电机组轮毂的结构强度分析及优化设计

摘要

能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益。随着风力发电机装机容量日益增大，机组所受的载荷情况也越来越复杂,从而使得风力机及其零部件的安全问题变得尤为突出。为了要确保风力机在其设计寿命内能够正常地运行，首先必须对风力发电机组的关键零部件展开设计研究。
　　轮毂是风力发电机组中的一个重要部件，它形状复杂，轮毂设计的好坏将直接影响到整个机组的正常运行和使用寿命，因此有必要在极限载荷条件下对轮毂进行静态分析和疲劳计算，以确定整个轮毂的应力分布情况，从中找出最危险的部位，为轮毂设计提供可靠的依据。另外根据轮毂强度计算的余量，必要时对轮毂进行优化设计分析，以达到减轻重量，降低成本的目的。
　　本文基于有限元法的基本理论，对轮毂进行了以下研究：
　　①基于有限元法的建模理论，利用网格划分软件 HyperMesh建立了两种轮毂有限元模型：一种是四面体单元模型，划分简单，可以使用有限元程序自动生成，故使用普遍；另一种是六面体单元模型，由于三维网格具有空间几何实体描述和三维网格的自动生成算法的复杂性，使得三维网格，尤其是六面体网格的划分，具有较大难度，一般只能靠工作人员手动生成。并对两种单元类型的模型进行了细致的分析比较。
　　②对某型轮毂有限元模型进行极限强度、疲劳及接触有限元建模及分析校核计算，并对结果进行了分析，提出了优化设计意见。分析计算所得数据与企业随后的实验数据进行过对比，结果基本一致。从而验证了本文所研究方法的正确性，确保了轮毂具有足够的强度和使用寿命。
　　③结合本文对某型轮毂的研究，采用相似原理和拓扑优化的方法，借助有限元软件Altair提供的OptiStruct模块开发出了新型轮毂的结构模型，本轮毂模型适用一般 WM级大型风力发电机组。本文并对开发的轮毂进行了静应力校核，满足预期开发目标。
　　因此，本论文对为大型风力发电机组轮毂的分析和自主设计提供科学可靠的依据，大大缩短了开发时间，节约了开发成本。对企业解决轮毂安全和寿命的问题具有重要的理论意义和工程实用价值，为开发具有自主知识产权的国产化风力发电机组奠定了坚实基础。

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目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外技术现状综述

1.3 论文研究的意义与目的

1.4 论文的主要研究内容

2 轮毂强度有限元模型的建立

2.1 有限元在轮毂中的应用

2.2 轮毂几何模型的建立

2.3 轮毂有限元网格的划分

2.4 轮毂坐标系

2.5 强度分析有限元模型的最终确立

3 轮毂的静强度计算

3.1 轮毂静强度分析的意义

3.2 结构静力分析的有限单元法解题步骤

3.3 轮毂静强度分析模型的建立

3.4 轮毂的材料和单元属性

3.5 静强度结果分析和后处理

3.6 考虑缺陷的轮毂静强度分析

3.7 本章小结

4 轮毂的疲劳分析

4.1 疲劳的基本概念

4.2 疲劳计算名义应力法

4.3 疲劳损伤累积理论

4.4 轮毂的疲劳分析

4.5 轮毂疲劳计算结果分析

4.6 本章小结

5 轮毂接触有限元分析

5.1 接触问题综述

5.2 接触问题有限元解法

5.3 Marc接触算法的基本流程

5.4 轮毂的接触模型

5.5 边界和约束

5.6 接触参数和工况步设定

5.7 轮毂法兰螺栓接触的结果分析

5.8 本章小结

6 轮毂的拓扑优化设计

6.1 优化设计概述

6.2 轮毂优化设计的数学模型

6.3 拓扑优化

6.4 轮毂几何模型的建立

6.5 拓扑优化结果分析

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录