兆瓦级风电齿轮箱结构设计方法研究及软件研发

摘要

雾霾治理和能源结构调整促使风电产业在我国获得进一步发展，大功率风电齿轮箱能够提高风能利用率和缩小风场的占地面积，因此单机功率的增加是未来风电发展的方向之一。随着单机功率的增长，应用以经验、类比为主导的现有结构设计方法得到的零件尺寸和重量势必有所增加。鉴于此，本文通过研究结构优化理论，提出了面向轻量化的兆瓦级风电齿轮箱结构设计方法，结合方法和课题要求开发了兆瓦级风电齿轮箱结构设计流程自动化软件，从而缩短研发周期，提高设计效率，增强企业的研发实力，具体内容如下:
　　(1)针对风电齿轮箱零件的结构特点，将结构优化设计理论引入兆瓦级风电齿轮箱结构设计，提出兆瓦级风电齿轮箱结构设计方法，即模型化设计，概念结构设计，结构详细设计，结构性能分析与评价。模型化设计中研究了初始几何模型的数字化表达;通过分析各种参数对优化结果的影响，建立了概念结构设计方法;结构详细设计讨论了风电齿轮箱常用的结构工艺特征，并将响应面法应用于结构尺寸优化;研究了结构性能分析时的原则和评价指标，以完成结构的最终方案校核。
　　(2)基于提出的方法，研发了兆瓦级风电齿轮箱结构设计流程自动化软件。结合课题要求，分析了软件需求，阐明了软件的研发目标，规划了软件的关键模块，对软件开发采用的XAF架构和HyperWorks二次开发工具等进行了详细介绍。对XAF的界面开发原理、后台程序关键代码以及自动生成报告等做了详细的论述，通过流程图和面板，介绍了基于HyperWorks的CAE分析模块。
　　(3)运用兆瓦级风电齿轮箱结构设计流程自动化软件对6MW功率分流风电齿轮箱箱体进行了结构设计。实例中，通过模型化设计模块确定箱体的初始几何模型，调用二次开发的CAE分析模块进行拓扑优化设计，得到模型的概念结构。尺寸优化的实施使得结构的关键尺寸取得最优组合，同时结合工艺性设计和性能分析与评价确定了最终的模型方案。
　　实例证明本文方法的可行性和软件的可操作性，可以提高零件结构设计效率约90％。本文研究内容为风电齿轮箱的结构设计提供了新的设计思路，对企业开发类似的流程自动化软件具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 拓扑设计理论研究综述

1．2．2 响应面法研究现状

1．2．3 兆瓦级风电齿轮箱结构优化设计研究现状

1．2．4 基于HyperWorks的流程自动化软件研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 结构优化设计理论基础

2．1 连续体结构优化设计理论

2．1．1 连续体结构优化常用方法

2．1．2 SIMP材料插值模型的变密度插值方法

2．1．3 最小柔度优化问题的优化准则算法

2．2 响应面法理论基础

2．2．1 响应面法基本过程

2．2．2 响应面法数学推导

2．3 本章小结

3 兆瓦级风电齿轮箱结构设计方法研究

3．1 结构设计方法基本过程

3．2 模型化设计

3．2．1 受力分析模型

3．2．2 转速和传动比计算原理

3．2．3 螺栓初步计算和轴承初步选型

3．2．4 模型化设计数字化建模

3．3 概念结构设计

3．3．1 有限元边界条件等效

3．3．2 拓扑优化数学模型

3．3．3 优化参数确定

3．3．4 概念结构设计

3．4 结构详细设计

3．4．1 尺寸优化设计

3．4．2 结构工艺性

3．5 结构性能分析与评价

3．5．1 结构性能分析

3．5．2 结构性能评价准则

3．6 本章小结

4 兆瓦级风电齿轮箱结构设计流程自动化软件

4．1 软件研发目标和模块划分

4．1．1 流程自动化软件研发目标

4．1．2 整体模块划分

4．1．3 基于HyperWorks的CAE分析模块

4．2 流程自动化软件开发关键技术

4．2．1 C#语言与XAF架构

4．2．2 HyperWorks二次开发工具

4．2．3 C#与HyperWorks的连接技术

4．3 流程自动化软件研发

4．3．1 软件工作流程和数据传递

4．3．2 流程自动化软件实现

4．4 基于HyperWorks的CAE分析模块研发

4．4．1 CAE分析模块实现

4．4．2 材料数据库研究

4．4．3 后处理程序研究

4．5 本章小结

5 兆瓦级风电齿轮箱结构设计软件应用实例

5．1 箱体的模型化设计

5．1．1 确定设计对象

5．1．2 力学模型求解

5．1．3 螺栓计算和轴承选型

5．1．4 初始几何模型生成

5．2 箱体的概念结构设计

5．2．1 箱体的拓扑优化有限元模型

5．2．2 箱体的拓扑优化建模与求解

5．2．3 箱体的概念结构设计

5．3 箱体的详细结构设计

5．3．1 箱体尺寸优化数学模型

5．3．2 箱体尺寸优化设计

5．3．3 箱体结构工艺性设计

5．4 箱体结构性能分析与评价

5．5 应用流程自动化软件的效率

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢