兆瓦级风电齿轮箱结构轻量化研究

【摘要】：风能作为一种清洁的可再生能源,已引起了人们的高度重视,由此促成了风力发电产业的迅猛发展。风电齿轮箱结构复杂、传动比大,在高空塔架上作业且采用侧面支承,因此导致箱体刚性较差,故障率较高。风电齿轮箱的关键技术一直是制约风电产业快速发展的重要因素,由于风电机组单机容量的不断增大,在设计制造过程中需要考虑越来越多的因素。本文以兆瓦级风电齿轮箱为研究对象,在保证风电齿轮箱结构性能的前提下,综合应用各种结构优化方法对其进行轻量化研究,主要内容如下： (1)风电齿轮箱静力学和动力学分析。根据风电齿轮箱组件的结构特点,在三维绘图软件SolidWorks中建立各组件的简化模型并进行总体装配,确定合理的有限元分析载荷状况和边界条件,导入CAE软件HyperWorks和Workbench中完成模型的几何清理和结构静力学分析及箱体整机模态分析,得到极限载荷工况下风电齿轮箱箱体和输入级行星架的位移场和应力场以及箱体的各阶固有频率和振型图。 (2)风电齿轮箱结构轻量化设计。对齿轮箱箱体进行了尺寸优化、形状优化和形貌优化；对输入级行星架进行了拓扑优化和尺寸优化。根据齿轮箱的设计要求,分别确定各种设计变量进行不同的优化设计。另外,出于优化设计的考虑,本文的结构优化设计都在三倍极限载荷下进行。 (3)基于支持向量机的结构优化。介绍了支持向量机的相关理论知识和算法领域新出现的果蝇优化算法,在此基础上编制MATLAB程序对齿轮箱箱体和输入级行星架尺寸优化中产生的样本数据进行建模和优化。优化结果表明,支持向量机有很强的泛化能力；果蝇优化算法寻优速度快,且能够很快找到全局最优解。 (4)优化前后模型的对比分析。基于齿轮箱的优化结果,对齿轮箱箱体和输入级行星架重新进行了分析,之后分别对齿轮箱箱体整机模型进行了静力分析和模态分析,并与原箱体结构进行了对比分析。除此之外,对优化后的齿轮箱后箱体和输入级行星架进行了平行度计算,并与初始模型平行度进行了对比分析。 综上所述,优化后的齿轮箱箱体和输入级行星架保证了原结构的性能,质量有较大幅度下降,共减重666.7kg(3.67%),达到了轻量化的效果。 【关键词】：风电齿轮箱 有限元方法 轻量化 支持向量机 果蝇优化算法
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH132.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题来源及研究意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 齿轮箱研究现状11-12
• 1.2.2 结构优化设计研究现状12-16
• 1.3 本文主要研究内容16-17
• 2 有限元与结构优化基础理论17-31
• 2.1 有限元方法17-18
• 2.1.1 有限元方法的基本思想17
• 2.1.2 有限元方法的基本步骤17-18
• 2.2 结构优化方法18-26
• 2.2.1 拓扑优化方法19-24
• 2.2.2 尺寸优化方法24-25
• 2.2.3 形状优化方法25-26
• 2.2.4 形貌优化方法26
• 2.3 基于支持向量机的优化方法26-30
• 2.3.1 支持向量机26-29
• 2.3.2 果蝇优化算法29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 3 风电齿轮箱组件有限元分析31-48
• 3.1 风电齿轮箱组件有限元模型建立31-37
• 3.1.1 模型简化及几何清理31-33
• 3.1.2 齿轮箱组件材料属性33-34
• 3.1.3 网格划分及质量检查34-37
• 3.2 齿轮箱组件静力分析37-43
• 3.2.1 静力分析基本原理37-38
• 3.2.2 箱体组件载荷确定及约束处理38-41
• 3.2.3 计算及结果分析41-43
• 3.3 齿轮箱箱体整机模态分析43-47
• 3.3.1 模态分析基础理论43-44
• 3.3.2 齿轮箱箱体整机模态分析44-46
• 3.3.3 计算结果分析46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 风电齿轮箱组件结构优化设计48-72
• 4.1 齿轮箱箱体尺寸优化48-56
• 4.1.1 AWE环境下齿轮箱箱体尺寸优化48-53
• 4.1.2 基于支持向量机的箱体尺寸优化53-55
• 4.1.3 两种优化方法结果对比分析55-56
• 4.2 箱体支撑臂形状优化56-59
• 4.2.1 优化问题的定义及计算结果分析56-58
• 4.2.2 结构改进及结果验证58-59
• 4.3 齿轮箱后箱体形貌优化59-64
• 4.3.1 优化问题的定义及计算结果分析59-63
• 4.3.2 结构改进及结果验证63-64
• 4.4 输入级行星架结构优化64-71
• 4.4.1 输入级行星架拓扑优化65-67
• 4.4.2 输入级行星架尺寸优化67-71
• 4.5 本章小结71-72
• 5 优化后的齿轮箱及结果对比分析72-82
• 5.1 静力分析对比72-74
• 5.2 模态分析对比74-75
• 5.3 平行度分析对比75-81
• 5.3.1 齿轮箱后箱体75-78
• 5.3.2 输入级行星架78-81
• 5.4 本章小结81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-87
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况87-88
• 致谢88-89

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