一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组技术领域，具体涉及一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法。


背景技术：

2.主轴是风力发电机组中最关键的零部件之一，其作为传递机械能的部件，主轴良好的设计和可靠的性能是保证风电机组正常稳定运行的关键因素。主轴在运行过程中，前部大圆弧段尺寸变化急剧，容易发生应力集中、疲劳损伤等问题，所以必须合理设计主轴的截面形状。
3.传统的主轴设计方法如下：首先由结构设计工程师根据自身经验和参考已有机组结构进行设计构型，其次基于有限元方法对该构型进行极限强度和疲劳的分析，然后根据分析结果对该结构进行修改，最后对修改后的构型再次采用有限元方法进行分析校核，重复以上过程，直至该结构满足设计强度要求。
4.传统的主轴设计方法所设计出的主轴虽然能满足强度要求，但在材料方面的设计冗余量较大、结构保守，细节设计过程通常需要进行反复迭代修改，设计周期较长。面对风电行业迅速的发展，该方法难以提高材料利用率，影响风力发电机组主轴强度性能的提升。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，以解决现有技术中存在的传统的主轴设计方法难以提高材料利用率，影响风力发电机组主轴强度性能的提升的技术问题。
6.本发明采用的技术方案是，一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，包括：
7.对主轴几何模型进行有限元前处理，得到主轴有限元分析模型；
8.对主轴有限元分析模型进行强度分析，得到主轴高应力区；
9.根据主轴高应力区定义主轴优化区间；
10.设置主轴优化的目标函数和约束条件；
11.根据目标函数和约束条件对主轴进行结构优化；
12.对结构优化后的主轴进行强度分析，将主轴强度分析结果与目标函数对比；如果未达到目标函数，再次根据目标函数和约束条件对主轴进行结构优化，直至主轴强度分析结果达到目标函数；
13.对完成结构优化的主轴进行几何重构，得到主轴结构优化后的几何模型。
14.进一步的，对主轴几何模型进行有限元前处理，包括：
15.划分网格，设置材料；
16.约束主机架底部偏航轴承安装面，限制该面6个方向的自由度；
17.在轮毂中心耦合点施加力和转矩。
18.进一步的，强度分析包括：主轴的最大应力是否超过材料的许用极限。
19.进一步的，定义主轴优化区间，包括：
20.在主轴高应力区中选取沿主轴轴线呈中心对称的若干圈单元作为主轴优化区间；
21.主轴优化区间的长度根据主轴表面应力分布情况，覆盖整个高应力区；
22.主轴优化区间的前后端面位于应力梯度变化平缓处。
23.进一步的，若干圈单元，选取的单元数量不小于3圈。
24.进一步的，目标函数为各工况下主轴的等效应力极大值为最小，具体如下：
25.在上式中，min()表示最小化函数，max_stress()表示优化过程中优化区域的最大应力变化函数，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的径向位移，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的轴向位移。
26.进一步的，约束条件包括：优化后主轴优化区间的体积小于或等于原体积的预设百分比，具体如下：
[0027][0028]
在上式中，volume()表示主轴优化区间的体积变化函数，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的径向位移，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的轴向位移，volume_base表示主轴优化区间的原有体积。
[0029]
进一步的，约束条件包括：优化区间的网格变形关于主轴轴线呈旋转对称，具体如下：
[0030][0031][0032]
在上式中，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的径向位移，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的轴向位移。
[0033]
进一步的，用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法还包括：
[0034]
对主轴结构优化后的几何模型再次进行强度分析，得到形状优化后主轴几何模型的性能结果，评估主轴结构设计方案的合理性。
[0035]
由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
[0036]
1.利用风力发电机组的主轴是回转体零部件的特点，对主轴进行基于旋转对称约束的形状优化，设置优化过程中节点移动满足轴对称的约束条件，自动探寻主轴最合理的材料分布，对主轴强度不满足要求的区域进行形状优化，调整不合理设计，生成主轴的几何模型设计方案。
[0037]
2.能够提高材料利用率，保证主轴在不增重或者增重较少的前提下，进一步提高主轴的强度性能。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0039]
图1为本发明实施例的方法流程图；
[0040]
图2为本发明实施例的主轴强度分析的应力分布情况示意图；
[0041]
图3为本发明实施例的主轴形貌优化原理示意图；
[0042]
图4为本发明实施例的主轴经形状优化后的效果示意图。
[0043]
附图标记：
[0044]
1-主轴前部大圆弧段的高应力值区域。
具体实施方式
[0045]
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0046]
需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0047]
实施例1
[0048]
本实施例提供了一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0049]
s1、对主轴几何模型进行有限元前处理，得到主轴有限元分析模型
[0050]
在具体的实施方式中，主轴几何模型可采用现有技术中的任意一种cad建模方法建模得到。将主轴几何模型导入到有限元前处理软件中进行有限元前处理，包括：划分网格，设置材料；约束主机架底部偏航轴承安装面，限制该面6个方向的自由度；在轮毂中心耦合点施加力和转矩。经上述有限元前处理后，可以到主轴有限元分析模型。
[0051]
具体的，有限元前处理软件可选用hypermesh。
[0052]
s2、对主轴有限元分析模型进行强度分析，得到主轴高应力区
[0053]
将主轴有限元分析模型导入到有限元分析软件中，对主轴有限元分析模型进行求解，分析出主轴的强度。具体的，强度分析会计算在实际工况下，主轴的最大应力有没有超过材料的许用极限。比如主轴使用钢材料，主轴的许用应力是545mpa，当实际工况中，在进行强度分析时，主轴的最大应力小于545mpa，即表明主轴的强度分析结果合格。
[0054]
通过对主轴有限元分析模型的强度分析，可以得到主轴各个区域的应力值，这些应力值有高有低，在具体的实施方式中，应力值的高、低判定，根据实际的材料类型、主轴的具体情况确定。如图2所示，1所指的位置说明主轴前部大圆弧段应力值比较高，需要进行优化。
[0055]
具体的，有限元分析软件可选用abaqus。
[0056]
s3、在主轴有限元分析模型的主轴高应力区中定义主轴优化区间
[0057]
根据步骤s2分析得到的主轴强度结果，在有限元分析软件中，找到主轴高应力区，选取沿主轴轴线呈中心对称的若干圈单元作为主轴优化区间。为保证主轴优化区间在优化设计时，空间上的单元有足够的移动范围，在具体的实施方式中，优选的，选取的单元数量不小于3圈。主轴优化区间的长度根据主轴表面应力分布情况，覆盖整个高应力区；主轴优
化区间的前后端面位于应力梯度变化平缓处。
[0058]
s4、对定义好主轴优化区间的主轴有限元分析模型，设置主轴优化的目标函数和约束条件
[0059]
将定义好主轴优化区间的主轴有限元分析模型导入到结构优化软件中，设定目标函数为：各工况下主轴的等效应力极大值为最小。
[0060]
约束条件为：
[0061]
条件1、优化后主轴优化区间的体积小于或等于原体积的预设百分比；这个百分比的数值可以根据实际需求来设置，比如要求体积不得大于原来体积，就设置为100％，要求体积小于原来体积，就可以设置为90％。此项约束条件可以实现主轴在形状优化过程中，保证主轴重量基本不增重或只有少量增重。在具体的实施方式中，兼顾优化效率和优化效果，预设百分比优选为105％。
[0062]
条件2、优化区间的网格变形关于主轴轴线呈旋转对称。此项约束条件利用风力发电机组的主轴是回转体零部件的特点，可以提升的形状优化效率。
[0063]
具体的，结构优化软件可选用tosca。
[0064]
s5、根据主轴优化的目标函数和约束条件对主轴进行结构优化
[0065]
在具体的实施方式中，结构优化软件可选用tosca。在tosca软件中定义优化任务，选用控制优化算法，选取定义好的主轴优化区间作为优化对象，设置好优化目标函数、体积变化约束条件、网格变形约束条件；根据约束条件，对主轴优化区间内的网格节点进行移动，每一次的网格节点移动，都相对于对主轴进行了形状优化。主轴形貌优化原理示意图如图3所示。
[0066]
目标函数如下：
[0067][0068]
在上式中，min()表示最小化函数，max_stress()表示优化过程中优化区域的最大应力变化函数，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的径向位移，为设计变量；表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的轴向位移，为设计变量。以上目标函数可以使应力最大值极小化。
[0069]
体积变化约束条件如下：
[0070][0071]
在上式中，volume()表示主轴优化区间的体积变化函数，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的径向位移，为设计变量；表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的轴向位移，为设计变量；volume_base表示主轴优化区间的原有体积。体积变化约束条件使在优化过程中，主轴优化区间的体积变化不超过原有体积的105％。
[0072]
网格变形约束条件如下：
[0073]
约束同一圈上的各节点径向位移相同；
[0074]
约束同一圈上的各节点轴向位移相同。
[0075]
在上式中，表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的径向位移，为设计变量；
表示主轴优化区间第i圈、第j个节点的轴向位移，为设计变量。
[0076]
s6、对结构优化后的主轴进行强度分析，将主轴强度分析结果与优化目标函数对比，如果未达到优化目标函数，重复步骤s5，直至主轴强度分析结果达到优化目标函数，完成主轴的结构优化
[0077]
在步骤s5中，每一次网格节点移动后，结构优化软件tosca会调用有限元分析软件abaqus计算主轴的强度，将结果与主轴优化的目标函数对比，如果未达到优化目标函数，继续移动网格，反复重复这一过程，直到达到优化目标函数，获得在主轴优化区间中主轴材料的合理分布。
[0078]
s7、对完成结构优化的主轴进行几何重构，得到主轴结构优化后的几何模型
[0079]
对完成结构优化的主轴，根据结构优化的结果，对变性后的网格执行光顺处理调整细节，进行主轴的几何重构，得到主轴结构优化后的几何模型。在具体的实施方式中，主轴几何模型的重构可采用现有技术中的任意一种cad建模方法建模得到。如图4所示，为主轴经形状优化后的效果示意图，在图4中，从左向右，依次为建立有限元分析模型、定义优化区间、进行形状优化、进行几何重构。
[0080]
然后，还可以使用有限元分析软件对主轴结构优化后的几何模型再次进行强度分析，得到形状优化后主轴几何模型的性能结果，评估主轴结构设计方案的合理性。
[0081]
如图4所示的某机型主轴，在某工况下采用本实施例的技术方案进行形状优化后，其圆弧过渡区域最大等效应力由134.77mpa降低至114.40mpa，重量由22.86吨增重至22.97吨。应力水平降低了15.11％，而重量只增加了0.48％，具有极高的性价比。
[0082]
本实施例的技术方案，利用风力发电机组的主轴是回转体零部件的特点，对主轴进行基于旋转对称约束的形状优化，设置优化过程中节点移动满足轴对称的约束条件，自动探寻主轴最合理的材料分布，对主轴强度不满足要求的区域进行形状优化，调整不合理设计，生成主轴的几何模型设计方案。能够提高材料利用率，保证主轴在不增重或者增重较少的前提下，进一步提高主轴的强度性能。
[0083]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。