大兆瓦风电齿轮箱关键零部件结构轻量化设计

【摘要】：风电齿轮箱是风电机组的核心部件。随着风电机组单机容量的不断增加,它在满足大传递功率的前提下,对自身体积和结构提出更为严格的要求。这使得以经验为主导的传统齿轮箱的设计方法已逐渐无法满足大兆瓦级风电齿轮箱的设计要求,而运用有限元分析、拓扑优化及尺度优化等现代结构设计方法对风电齿轮箱关键零部件进行设计,可大大缩短设计周期,提高企业的核心竞争力。鉴于此,本文结合课题内容,研究大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的性能分析及结构优化设计,具体的研究内容如下： (1)结合设计条件,从速比、承载能力与空间体积等角度对多种方案展开分析,确定RR型功率分流传动方案；基于此对其运动构件传动特性及固定构件的静力学特性展开研究。 (2)基于RR型传动方案特点确定行星架及前机体为风电齿轮箱的关键零部件。以此为研究对象,结合有限元理论,分析零部件在传动系统中的受载分布和约束状况,建立有限元模型；分析静态结构特性,并对影响关键零部件的结构参数展开灵敏度分析。 (3)依据结构性能分析结果,提出风电齿轮箱关键零部件的拓扑优化性能指标。基于多位置工况,对行星架及前机体分别建立以加权应变能及静动态耦合特性为优化目标的拓扑优化模型,根据拓扑优化传力路径设计其概念模型。 (4)基于位移、第一主应力、刚质比等指标对行星架概念模型进行性能分析,确定以曲面结构作为行星架尺度优化设计对象,对其进行尺度优化设计；建立以关键结构参数为优化变量的双目标尺度优化模型。通过灵敏度分析确定优化参数最佳组合方案。 对比原始方案,曲面优化结构的行星架重量降低13.42%,第一主应力降低29.97%,Y向、Z向及综合刚质比分别提高了1.63%,5.7%,4.41%；前机体优化方案质量减少12.79%,第一主应力基本不变,刚质比提高7.19%。结果表明：行星架及前机体在整体质量下降的前提下,静态特性获得较大幅度提升,实现了结构优化的目的。 本论文研究为大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的结构轻量化设计提供了理论参考依据。 【关键词】：功率分流 行星架 前机体 拓扑优化 尺度优化
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究综述11-19
• 1.2.1 风电齿轮箱传动系统研究现状11-17
• 1.2.2 结构优化设计研究综述17-18
• 1.2.3 课题组的相关研究成果18-19
• 1.3 本文主要研究内容19-20
• 2 大兆瓦风电齿轮箱传动方案设计20-36
• 2.1 齿轮箱传动方案的提出20-24
• 2.1.1 设计条件20-21
• 2.1.2 传动方案的对比分析21-24
• 2.2 齿轮箱总体设计24-28
• 2.2.1 各级速比的确定24-27
• 2.2.2 配齿方案分析27-28
• 2.3 齿轮箱运动构件传动参数计算及强度校核28-31
• 2.3.1 运动构件传动参数的计算28-30
• 2.3.2 齿轮传动强度校核30-31
• 2.4 固定构件静力分析31-35
• 2.4.1 行星齿轮传动受力分析31-34
• 2.4.2 低速级行星架静力分析34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 大兆瓦风电齿轮箱零部件的结构性能分析36-53
• 3.1 结构性能分析理论基础36-37
• 3.2 风电齿轮箱零部件模型处理37-42
• 3.2.1 关键零部件的确认37-38
• 3.2.2 实体模型的建立及简化38-41
• 3.2.3 有限元分析模型的建立41-42
• 3.3 风电齿轮箱零部件的静力学分析42-48
• 3.3.1 边界条件确定及施加42-45
• 3.3.2 单元尺寸灵敏度分析45
• 3.3.3 静态特性计算结果分析45-48
• 3.4 风电齿轮箱零部件结构参数灵敏度分析48-52
• 3.4.1 行星架结构参数的灵敏度分析49-51
• 3.4.2 前机体结构参数灵敏度分析51-52
• 3.5 本章小结52-53
• 4 大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的结构优化设计53-65
• 4.1 结构优化设计的基本思想53-54
• 4.2 拓扑优化性能指标的确定54
• 4.3 输出级行星架的拓扑优化54-57
• 4.3.1 行星架拓扑优化建模54-56
• 4.3.2 行星架拓扑优化求解分析56-57
• 4.4 基于多工况组合的前机体拓扑优化57-63
• 4.4.1 前机体拓扑优化建模57-61
• 4.4.2 前机体拓扑优化求解分析61-63
• 4.5 基于传力路径的零部件概念模型设计63-64
• 4.5.1 行星架概念模型设计63
• 4.5.2 前机体概念模型设计63-64
• 4.6 本章小结64-65
• 5 大兆瓦风电齿轮箱关键零部件的尺度优化设计65-76
• 5.1 基于尺度优化的输出级行星架结构参数设计65-69
• 5.1.1 概念构型方案性能对比分析65-67
• 5.1.2 曲面结构的行星架尺寸优化设计67-69
• 5.2 前机体壁板及筋板尺度优化设计69-72
• 5.2.1 前机体尺寸优化模型70
• 5.2.2 设计参数灵敏度分析70-72
• 5.3 结构方案对比分析72-75
• 5.3.1 行星架优化前后方案性能对比分析72-74
• 5.3.2 前机体优化前后方案性能对比分析74-75
• 5.4 本章小结75-76
• 结论76-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

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