MW级风力发电机组主机架系统结构分析及优化设计

论文摘要

风力发电机组主机架系统是结构和受载最复杂的承载部件之一,工程计算无法对其进行精确的强度和疲劳分析,必须借助有限元分析手段,本文着重研究了如何根据其结构和传递载荷特性对模型进行简化和等效处理,为主机架系统分析提供一个分析思路和方法,具有一定的指导意义。主机架系统承受复杂的交变动载荷,可能会发生共振和疲劳破坏,所以在静强度分析的基础上,必须对其进行模态和疲劳分析,论文重点研究了根据模态分析理论如何建立模态分析有限元模型及根据疲劳累积损伤理论如何结合软件来进行疲劳分析,具有一定的理论和工程实用价值。本文对风力发电机组主机架进行了优化设计,以便能够得到更优的结构及减轻重量,可以减少材料的使用和降低运输成本。论文主要研究内容如下:①主机架强度分析,着重分析主机架系统的结构和受载,根据主机架的结构和受载特点,对主机架系统进行简化建模,并对有限元模型进行验证,根据有限元分析结果对主机架进行强度评价。②主机架模态分析,根据模态分析的理论,建立模态分析有限元模型,按实际情况施加边界条件,得出较为准确的模态,跟风轮的激励频率进行比较,避免发生共振现象。③主机架连接螺栓的强度分析,为了得到较为准确的计算结果,建立有限元模型时采用子模型的方式建模,分别分析了主机架与主轴机座连接螺栓及主机架与偏航轴承连接螺栓的强度。④根据疲劳累积损伤理论并结合MSC.marc、MSC.Fatigue软件,对主机架和主机架连接螺栓的疲劳进行分析,得出了对主机架和主机架连接螺栓进行疲劳分析的一般方法和步骤。⑤主机架优化设计,采用拓扑优化技术对主机架进行了优化,实现了主机架结构优化和减重的目的,对主机架的优化设计做了探索性的研究,为主机架自主研发奠定一定的基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 论文的选题背景
• 1.2 风力发电机组发展现状及前景
• 1.2.1 国外风电发展现状
• 1.2.2 国内风电发展现状
• 1.3 本课题来源及研究的意义与主要内容
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 课题的研究意义
• 1.3.3 论文的研究内容
• 2 主机架强度分析
• 2.1 主机架分析系统的结构及受载分析
• 2.2 有限元接触分析理论
• 2.3 极限工况强度分析
• 2.3.1 计算用实体模型
• 2.3.2 计算用有限元模型
• 2.3.3 模型单位系统及模型材料与参数
• 2.3.4 有限元模型接触设置和边界条件
• 2.3.5 模型验证
• 2.3.6 主机架强度分析结果
• 2.4 吊装工况分析
• 2.5 主机架强度分析结果评价
• 2.6 本章小结
• 3 主机架的模态分析
• 3.1 模态分析的理论基础
• 3.2 主机架模态分析的有限元模型
• 3.3 主机架模态分析结果
• 3.4 本章小结
• 4 主机架连接螺栓的强度分析
• 4.1 主机架与偏航连接螺栓分析
• 4.1.1 螺栓连接的几何模型
• 4.1.2 螺栓连接的有限元模型
• 4.1.3 有限元模型接触设置和边界条件
• 4.1.4 分析结果
• 4.2 主机架与轴承座连接螺栓分析
• 4.2.1 螺栓连接的几何模型
• 4.2.2 螺栓连接的有限元模型
• 4.2.3 有限元模型接触设置和边界条件
• 4.2.4 分析结果
• 4.3 本章小结
• 5 主机架和主机架连接螺栓的疲劳分析
• 5.1 疲劳损伤累积理论
• 5.2 疲劳分析的基本流程
• 5.3 主机架的疲劳分析
• 5.3.1 计算用有限元模型
• 5.3.2 疲劳载荷定义和处理
• 5.3.3 疲劳S-N 曲线确定和计算方法
• 5.3.4 应力分析
• 5.4 主机架连接螺栓的疲劳分析
• 5.4.1 螺栓疲劳计算方法
• 5.4.2 螺栓连接疲劳计算的模型
• 5.4.3 螺栓连接疲劳计算加载和计算结果
• 5.4.4 S-N 曲线设置
• 5.4.5 螺栓疲劳计算结果
• 5.5 本章小结
• 6 主机架优化设计
• 6.1 优化设计简介
• 6.2 拓扑优化材料插值方法介绍
• 6.3 变密度法数学模型
• 6.3.1 设计变量
• 6.3.2 约束函数
• 6.3.3 目标函数
• 6.4 主机架系统拓扑优化
• 6.4.1 主机架有限元模型
• 6.4.2 主机架系统拓扑优化定
• 6.5 拓扑优化结果分析
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A：攻读硕士学位期间所发表的论文
• B：攻读硕士学位期间参与的课题研究