[发明专利]一种基于有限元建模的拓扑优化和参数优化的风机轮毂结构优化方法

说明书

本发明涉及风力发电机组关键零部件结构设计领域，涉及一种基于有限元建模的拓扑优化和参数优化的风机轮毂结构优化方法，包括建立轮毂拓扑结构在内的风轮系统的三维几何模型，并根据该模型建立有限元模型；建立第一目标函数对轮毂拓扑结构有限元模型进行拓扑优化，根据优化后的轮毂拓扑结构材料分布形式，通过几何光顺和几何重构，获得重构轮毂的三维几何模型；通过网格变形技术建立重构轮毂的有限元模型控制体，并创建变形参数进行试验设计分析，建立轮毂质量最小、计算应力最小的第二目标函数，得到各变形参数与轮毂计算应力间的关系；建立高精度的重构轮毂近似模型，采用优化算法对近似模型进行优化求解，获得重构轮毂结构优化后的结构参数；本发明可缩短风机零部件设计周期，提高风机零部件结构优化效率，能有效提高风机轮毂结构刚度，减轻轮毂质量，降低制造成本。

技术领域

本发明涉及风力发电机组关键零部件结构设计领域，特别涉及一种基于有限元建模的拓扑优化和参数优化的风机轮毂结构优化方法。

背景技术

轮毂是风力发电机风轮系统中的重要零部件，在风机的运行过程中，轮毂主要起到连接叶片和主轴的关键作用，将风在叶片上产生的推力转化为扭矩传递给主轴，主轴将能量传递给发电机，将转动的机械能转化为电能。在这个过程中，轮毂承受的载荷主要包括叶片上产生的气动载荷、惯性载荷、重力以及转轴的反力。轮毂承受的交变载荷十分复杂，需要保证在20年的寿命期间内不发生失效，轮毂结构性能的好坏对整个机组运行的可靠性影响巨大。因此，轮毂要保证在极端恶劣的风力条件下稳定运转，对其机械性能要求高，强度、塑性指标高。近年来，随着风电机组不断增加单机容量，风力发电机的尺寸变得愈发大型化，风机制造企业对降低机组制造成本、改进机组动态特性、提升机组可靠性和稳定性的需求空前巨大。其中轮毂结构作为机组中的重要零部件，制造成本高昂，但现有技术中对轮毂结构进行优化设计的方法较少。

发明内容

为明确风机轮毂结构的结构优化设计流程，从而提高优化效率及研发周期，本发明提出一种基于有限元建模的拓扑优化和参数优化的风机轮毂结构优化方法，包括：

建立风轮系统三维几何模型并根据该模型建立风轮系统的有限元模型；

将风轮系统有限元模型中的轮毂拓扑结构作为设计区域，风轮系统有限元模型中的其他部分作为非设计区域；

以轮毂质量和最大计算应力为约束、最大化轮毂刚度建立第一目标函数，采用拓扑优化方法求解该目标函数，即对风轮系统有限元模型中的轮毂拓扑结构进行拓扑优化；

对优化后得到的轮毂拓扑模型进行几何光顺和几何重构，获得重构的轮毂三维几何模型；

针对重构得到的轮毂结构，采用网格变形技术建立重构轮毂的有限元模型控制体，并创建模型变形参数进行试验设计分析，构建轮毂质量最小、计算应力最小的第二目标函数，得到各变形参数与轮毂计算应力间的关系；

基于试验设计得到的分析结果，选择二阶响应面模型建立重构轮毂的高精度近似模型，采用优化算法对近似模型进行求解，得到重构轮毂结构的最终结构优化参数。

进一步的，建立主轴系统的三维实体模型时，考虑载荷的传递路径和非线性边界条件，风轮系统的三维几何模型包括轮毂、叶根、变桨轴承、主轴假体和主轴承。

进一步的，第一目标函数表示为：

s.t.KU＝F

0≤ρ_min≤ρ_e≤1