基于ANSYS的1.5MW风电机组齿轮箱结构分析与优化

摘要

本文介绍了风力发电机的结构和各部件作用以及工作原理，并重点讲述了本课题研究对象齿轮箱；论述了风力发电的优势及风力发电产业在中国的发展现状及新的跨越；描述了本课题的来源、要求、工作内容等。
　　 在以上基础对齿轮箱的箱体、低速轴、高速轴、太阳轮和行星轮等部件作了CAD建模和相关的结构分析和优化，内容主要包括静力分析、模态分析、接触分析、热力学分析、拓扑优化等，并对结果作了分析和总结，为今后风力发电机的整机特性分析和研制奠定了基础。
　　 1.以风力发电机齿轮箱为对象，结合CAE平台ANSYS WORKBENCH，对箱体分别进行了静力分析和模态分析。最后得出形变和应力分布结果以及固有频率和相应振型，并以此为据判断强度和刚度条件，为下一步以此为据进行动力学分析奠定基础，提高了方案设计的可靠性。
　　 2.首先将风电机组齿轮箱的低速轴Pro/E实体模型导入ANSYS建立有限元模型；在此基础上，对低速轴进行线性静力分析；最后得出形变和应力分布结果以及切片等值图，并以此为据判断强度和刚度条件，提出轴的改进方案。
　　 3.运用CAE软件ANSYS建模，对低速轴有限元模型作了模态分析，得到相应分析结论。把轴承约束看作刚性约束和弹性约束分别作了模态分析，求出各阶固有频率和振型，并作对比，最后得出相应结论。
　　 4.以风电机组齿轮箱的某斜齿轴为对象，首先将Pro/E实体模型导入ANSYS建立有限元模型；在此基础上，对某斜齿轴进行线性静力分析；最后得出形变和应力分布结果，并以此为据判断强度和刚度条件，提出轴的改进方案。
　　 5.运用CAXA电子图板和有限元分析软件ANSYS进行建模，对某大型风力发电机齿轮箱内部某对啮合齿轮模型作了接触应力分析，并与传统计算结果对比以确定ANSYS接触分析的可信性，最后得到相应分析结论。
　　 6.探索了风力发电机零部件的热应力分析。首先介绍了我国风电事业取得的飞速发展和低温对风力发电机运行的影响；然后以风力发电机齿轮箱的下箱体为对象，采用有限元分析软件ANSYS对其进行了温度场分析、线性静力分析和热应力分析；最后通过对比结果得出低温对风力发电机齿轮箱下箱体的应力影响不容忽视。
　　 7.对1.5MW风电机组齿轮箱的行星架进行参数化建模和结构静力分析，并得到其变形及应力图；在此基础上进行拓扑优化，提出一种改进结构，并通过分析验证其可行性。最后提出另一方案供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2风力发电机结构

1.3风力发电机组轮箱国内外研究现状及常见故障

1.3.1国内研究现状

1.3.2国外研究现状

1.3.3风力发电机组规范及标准

1.3.4齿轮箱常见故障

1.4课题来源、研究目的和内容

1.5本课题主要进行的工作

第二章基于ANSYS WORKBENCH的箱体有限元分析

2.1静力分析

2.1.1概述

2.1.2分析前的准备

2.1.3分析过程

2.1.4结论及建议

2.2模态分析

2.2.1模态分析基本原理

2.2.2分析过程

2.2.3结束语

2.3本章小结

第三章基于Pro/E和ANSYS的低速轴的有限元分析

3.1静力分析

3.1.1低速轴的模型导入

3.1.2低速轴的网格划分

3.1.3低速轴的线性静力分析

3.1.4结束语

3.2模态分析

3.2.1低速轴有限元模型建立

3.2.2轴承处的约束视为刚性约束时的模态分析

3.2.3轴承处的约束视为弹性约束时的模态分析

3.2.4总结

3.3本章小结

第四章基于ANSYS的大型风力发电机高速轴的有限元分析

4.1斜齿轮轴的模型导入

4.2受力分析

4.3前处理

4.3.1单元类型选择

4.3.2单元材料特性

4.3.3边界条件确定

4.4后处理

4.4.1变形分析

4.4.2应力分析

4.5本章小结

第五章基于ANSYS的大型风力发电机齿轮的接触分析

5.1齿轮有限元模型建立

5.2定义接触对、加载并求解

5.3查看结果及分析

5.4本章小结

第六章基于ANSYS的下箱体热应力分析

6.1低温对风力发电机齿轮箱的影响及要求

6.2热分析概述

6.3下箱体稳态热分析

6.4下箱体热应力分析

6.5本章小结

第七章行星架的结构分析和优化

7.1行星架分析与优化的必要性

7.2参数化建模

7.3施加边界条件

7.4分析结构后处理

7.5拓扑优化

7.6改进方案及验证

7.7本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

发表论文及参加会议情况说明