一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法与流程

技术特征：
1.一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，包括：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；对所述主轴有限元分析模型进行强度分析，得到主轴高应力区；根据所述主轴高应力区定义主轴优化区间；设置主轴优化的目标函数和约束条件；根据所述目标函数和约束条件对主轴进行结构优化；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所述目标函数对比；如果未达到所述目标函数，再次根据所述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所述目标函数；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。2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，所述对主轴几何模型进行有限元前处理，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。3.根据权利要求2所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，所述强度分析包括：主轴的最大应力是否超过所述材料的许用极限。4.根据权利要求1所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，所述定义主轴优化区间，包括：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；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。5.根据权利要求4所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，所述若干圈单元，选取的单元数量不小于3圈。6.根据权利要求1所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，所述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: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。7.根据权利要求1所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，所述约束条件包括：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：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。
8.根据权利要求7所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，所述约束条件包括：优化区间的网格变形关于主轴轴线呈旋转对称，具体如下：述约束条件包括：优化区间的网格变形关于主轴轴线呈旋转对称，具体如下：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。9.根据权利要求1所述的用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，其特征在于，还包括：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。

技术总结
本发明提供一种用于风力发电机组主轴的形状优化设计方法，包括：对主轴几何模型进行有限元前处理，对主轴有限元分析模型进行强度分析，得到主轴高应力区；根据主轴高应力区定义主轴优化区间；设置主轴优化的目标函数和约束条件；对主轴进行结构优化；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；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。本发明可以解决传统的主轴设计方法难以提高材料利用率，影响主轴强度性能提升的技术问题。问题。问题。


技术研发人员：江鹏 韩佳 文茂诗 杨微 解轲 刘金增
受保护的技术使用者：广东海装海上风电研究中心有限公司
技术研发日：2021.10.27
技术公布日：2022/1/21