膜片联轴器膜片有限元分析及结构优化设计研究

论文摘要

风能是一种取之不尽的清洁可再生能源,深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现风力发电装备国产化具有重要意义。膜片联轴器是风力发电机组增速齿轮箱高速轴和发电机转子轴的连接部件,是风力发电机组传动链中的重要部件之一。膜片联轴器能传递大功率、寿命长、结构简单、不需润滑并能补偿轴向、径向和角向位移,适于在高速大功率机组上使用。它要有足够的强度和刚度,以保证机组在各种载荷情况下能正常运行。论文研究是根据风电制造企业需求,以材料力学、弹性力学、断裂力学等为理论基础,采用有限单元法,以德国劳埃德船级社(GL)风力发电机组认证规范为依据,对大型风力发电机组膜片联轴器进行设计计算分析,以填补国内空白。论文主要研究内容如下:第一章以国内外风力发电技术的应用现状和发展趋势为背景,介绍了膜片联轴器的国内外研究和应用情况,并导出论文研究的意义和主要内容。第二章通过对膜片联轴器结构和特点的阐述,按照膜片联轴器的选材和选型要求及膜片联轴器所受的载荷和工况,对膜片联轴器进行初步设计和整体设计,并建立风力发电机组高速膜片联轴器的实体几何模型。第三章基于弹性力学理论和有限元法对膜片联轴器的关键部件之一——膜片进行强度有限元分析。综合考虑膜片承受的扭矩、离心力、轴向位移、径向位移和角向位移,建立膜片的有限元模型,进行极限强度校核和和屈曲计算,并对计算结果进行分析讨论,得出不同工况下联轴器的轴向、径向和角偏移量及强度屈曲等满足设计要求。第四章根据断裂力学及疲劳累积损伤理论,考虑平均应力对疲劳寿命的影响,按照膜片实际受载编制载荷谱,进行疲劳寿命分析,以确保其正常运行和使用寿命。第五章按照不同的结构优化方法,针对膜片的结构特点采用密度法对膜片进行拓扑优化分析。建立用于拓扑优化的有限元模型,进行静强度分析,再对膜片进行拓扑优化,然后对优化后的膜片进行了静强度、屈曲、模态、疲劳的校核,得到了最佳的膜片结构。第六章是论文研究结论和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 膜片联轴器技术现状
• 1.2.1 国外技术现状
• 1.2.2 国内技术现状
• 1.3 论文研究的意义与主要内容
• 1.3.1 论文研究的意义
• 1.3.2 论文的主要研究内容
• 2 膜片联轴器设计计算
• 2.1 风力发电机中的联轴器
• 2.1.1 刚性联轴器和弹性联轴器
• 2.1.2 膜片联轴器
• 2.2 膜片联轴器的设计
• 2.2.1 膜片联轴器选型
• 2.2.2 膜片材料选择
• 2.2.3 膜片联轴器的初步设计
• 2.2.4 膜片联轴器的整体设计
• 2.3 本章小结
• 3 膜片强度有限元分析
• 3.1 膜片强度分析理论与方法
• 3.1.1 弹性力学基本理论
• 3.1.2 有限元方法在膜片设计中的应用
• 3.2 膜片承受的载荷
• 3.2.1 膜片承受的转矩
• 3.2.2 膜片承受的离心力
• 3.2.3 膜片的强迫位移
• 3.2.4 膜片承受的螺栓预紧力
• 3.3 膜片的有限元模型
• 3.3.1 MSC.Patran 建模环境
• 3.3.2 膜片几何模型
• 3.3.3 有限元网格模型
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 膜片材料
• 3.4 静强度分析
• 3.4.1 MSC.NASTRAN 分析程序
• 3.4.2 各种载荷共同作用
• 3.4.3 扭矩和离心力产生的拉力作用
• 3.4.4 预紧力作用
• 3.4.5 轴向和角向位移作用
• 3.5 屈曲分析
• 3.6 本章小结
• 4 膜片疲劳有限元分析
• 4.1 疲劳分析理论和方法
• 4.1.1 疲劳累积损伤理论
• 4.1.2 平均应力的影响
• 4.1.3 疲劳载荷谱处理
• 4.2 膜片疲劳有限元计算分析
• 4.2.1 MSC.Fatigue 疲劳有限元分析软件
• 4.2.2 材料S-N 曲线
• 4.2.3 载荷时间历程
• 4.2.4 疲劳计算结果
• 4.3 本章小结
• 5 膜片的拓扑优化设计
• 5.1 结构优化方法
• 5.2 密度法
• 5.2.1 目标函数
• 5.2.2 约束函数
• 5.2.3 优化定义
• 5.3 用于优化的膜片有限元模型
• 5.3.1 有限元模型
• 5.3.2 静强度分析
• 5.4 拓扑优化
• 5.4.1 基于HyperWorks 的结构优化
• 5.4.2 拓扑优化结果
• 5.5 优化模型检查及结论
• 5.5.1 静强度分析
• 5.5.2 屈曲分析
• 5.5.3 模态分析
• 5.5.4 疲劳分析
• 5.5.5 优化结论
• 5.6 小结
• 6 总结和展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录