CN101539959B - 一种风力发电机组参数化零部件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机组参数化零部件设计方法，属于风力发电技术领域，该方法包括如下步骤：步骤1、设计部件参数化尺寸三维图形；步骤2、得到部件的应力和位移；步骤3、根据步骤2的计算结果，确认部件的基本尺寸；步骤4、根据确认的部件的基本尺寸，进行工程加工制造图设计和制造工艺要求，最后设计员完成设计报告和工程图纸。本发明的优点为简化部件的网格建模，使有限元的分析计算变得简洁快速，利用此方法设计的软件，完成风电机组总体设计和结构设计可一次在该软件下完成，计算、分析和校核工作可与图纸设计同时完成。

Description

一种风力发电机组参数化零部件设计方法 

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组参数化零部件设计方法。 

背景技术

风力发电机组的结构设计主要根据总体技术的要求，完成对所有零部件的几何尺寸的计算、分析、校合，从而最终确定部件的结构尺寸；通常根据风力发电机组的等级确定极限载荷和安全系数，这个过程是需要反复验算与校合，最后寻优得到合适的结构尺寸，通常这个过程需要很长的时间，设计人员要经过2年以上的大型软件学习应用经验，即使熟悉使用通用ANSNY软件的人员，完成这个设计过程也要2年多，为此我们发明了参数化模型实现方法，用于风电机组主要零部件的有限元计算分析，简化部件的网格建模，使有限元的分析计算变得简洁快速，利用此方法设计的软件，完成风电机组总体设计和结构设计可一次在该软件下完成，计算、分析和校核工作可与图纸设计同时完成。 

发明内容

针对现有风力发电机组零部件设计方法存在的不足与缺陷，本发明提供一种风力发电机组参数化零部件设计方法，通过本方法，以达到设计简单快捷的目的。 

该方法包括如下步骤： 

步骤1、设计部件参数化尺寸三维图形； 

步骤2、分析设计部件结构的受力条件，采用固体力学线弹性小变形理论，得到零部件的应力和位移； 

步骤3、根据步骤2的计算结果，反复调整设计部件的基本尺寸结构，使整体结构全部满足强度和形变的要求； 

步骤4、根据确认的部件的基本尺寸，进行工程加工制造图设计和制造工艺要求，最后设计员完成设计报告和工程图纸。 

所述的三维图形按如下方法求得： 

I、确定设计部件名称及结构； 

II、输入设计部件结构尺寸，得到设计部件图形文件； 

III、根据结构输出部件图形； 

IV、确定部件参数的输入变量； 

V、给变量赋值，运行图形输出程序； 

VI、调整宏命令，输出部件的三维图形； 

VII、回到步骤IV，循环输入部件参数的输入变量，输入变量的次数为2到N次，N为自然数，得到部件的三维图形。 

所述的部件应力和位移按如下方法求得： 

①、输入三维设计部件图形文件； 

②、确定剖分结构形式，进行部件网格剖分； 

③、根据部件结构尺寸的边界条件，确定自动剖分方法； 

④、完成网格剖分； 

⑤、输出网格剖分文件。 

所述的部件的基本尺寸结构按如下方法求得： 

(一)、输入网格剖分文件； 

(二)、利用有限元的基本方程确定边界条件和载荷； 

(三)、应用求解器求解上述方程； 

(四)、将应力计算结果与国家规定标准对比，判断对比结果是否合格，如果是合格则确定并输出部件的三维图形尺寸，如果否则改进部件结构尺寸并重新设计。 

其中步骤(二)中的基本方程、边界条件和载荷如下： 

(1)基本方程1 

$\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂y}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂z}+f_x=0$

$\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}}{\∂y}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂z}+f_y=0$

$\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂y}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂z}+f_z=0$

(2)基本方程2 

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}=\frac{\∂u}{\∂x}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}=\frac{\∂v}{\∂y}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{\∂w}{\∂z}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}=\frac{\∂w}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂z}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}=\frac{\∂w}{\∂x}+\frac{\∂u}{\∂z}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x}$

(3)基本方程3 

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}\end{array}\right)=\frac{E}{(1+V)(1-2V)}\left(\begin{array}{cccccc}1-V& V& V& & & \\ V& 1-V& V& & & \\ V& V& 1-V& & & \\ & & & 0.5-V& & \\ & & & & 0.5-V& \\ & & & & & 0.5-V\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}\end{array}\right)$

其中：u、v、w为位移，ε_xx、ε_yy、ε_zz、ε_yz、ε_xz、ε_xy为应变，σ_xx、σ_yy、σ_zz、σ_yz、σ_xz、σ_xy为应力，f_x、f_y、f_z为体力，x、y、z为直角坐标系下的坐标分量。 

参数E为弹性模量、V为泊松比。 

(4)边界条件 

边界条件 

u＝u₀  v＝v₀  w＝w₀

载荷条件 

T_x＝f₁  T_y＝f₂  T_z＝f₃

所述的输出图纸按如下方法求得： 

(1)、根据确定部件的基本尺寸，设计部件制造工程图纸； 

(2)、用试验和计算相结合的方法判断部件的尺寸结构，判断部件尺寸是否合格？如果不合格则返回重新设计部件尺寸，如果合格则输出工程图纸并完成设计报告。 

本发明的优点是简化部件的网格建模，使有限元的分析计算变得简洁快速，利用此设计方法设计的软件，完成风电机组总体设计和结构设计可一次性完成，计算、分析和校核工作可与图纸设计同时完成。 

附图说明

图1为本发明一种风力发电机组参数化零部件设计方法主轴结构图； 

图2为本发明的主轴输入特征参数结构图； 

图3本发明工程设计流程图； 

图4本发明求取部件参数化尺寸三维图形流程图； 

图5本发明求取部件应力和位移方法流程图； 

图6本发明求取部件基本尺寸结构流程图； 

图7本发明设计图纸输出流程图； 

图8本发明几何参数输入界面； 

图9本发明主轴模型三维显示结构图。 

图1中：1、半径，2、孔径及个数。 

具体实施方式

对于任何一个部件的结构尺寸绘制时，都需要将过程软件、程序化，这就是自动绘制部件的外形结构尺寸的过程，但是，对于形状一定的部件，根据设计要求部件的尺寸是不断变化的，这个变化的尺寸在软件编制过程中设计成可变的参数。 

本发明采用有限元软件以风力发电机组的主轴为例进行说明，主轴结构如图1所示，由用户需要输入的具体尺寸参数(A，B，C，-------O，半径，孔径及个数，)后，程序员自行设计零部件参数输入显示菜单的界面，按照设计者的要求不断从界面输入这些参数尺寸的数值，从达到载荷和强度的计算要求，使用户设计简捷方便，很快得到结构尺寸。 

参数文档描述 

这些参数是决定部件的基本结构尺寸，也是部件结构的特征尺寸，现以主轴结构分析为例，其特征尺寸如表1： 

表1 

对应符号参数	描述	单位
			A	与轮毂连接法兰外直径	mm
B	与轮毂连接法兰子口直径	mm
			C	与轮毂连接法兰外沿直径	mm
D	主轴与轴承衔接段外直径	mm
			E	与主轴座连接端口直径	mm
F	与摩擦衬套衔接处外径	mm

G	主轴内经	mm
			H	与齿轮箱连接输出轴外径	mm
I	与齿轮箱连接输出轴长度	mm
			J	摩擦衬套长度	mm
K	主轴端口至轴承座中心距离	mm
			L	主轴端口至轴承座后端距离	mm
M	轮毂与主轴连接法兰厚度	mm
			N	子口高度	mm
O	法兰前端到主轴后端距离	mm

该方法包括如下步骤：如图3所示， 

步骤1、设计主轴参数化尺寸三维图形； 

步骤2、分析设计主轴结构的受力条件，采用固体力学线弹性小变形理论，得到主轴的应力和位移； 

步骤3、根据步骤2的计算结果，反复调整主轴的基本尺寸结构，使整体结构全部满足强度和形变的要求； 

步骤4、根据确认的主轴的基本尺寸，进行工程加工制造图设计和制造工艺要求，最后设计员完成设计报告和工程图纸。 

所述的三维图形按如下方法求得：如图4所示， 

I、确定设计部件名称及结构； 

II、输入设计部件结构尺寸，得到设计部件图形文件； 

III、根据结构输出部件图形； 

IV、确定部件参数的输入变量； 

V、给变量赋值，运行图形输出程序； 

VI、调整宏命令，输出部件的三维图形； 

VII、回到步骤IV，循环输入部件参数的输入变量，输入变量的次数为2到N次，N为自然数，得到部件的三维图形。 

所述的部件应力和位移按如下方法求得：如图5所示， 

①、输入三维设计部件图形文件； 

②、确定剖分结构形式，进行部件网格剖分； 

③、根据部件结构尺寸的边界条件，确定自动剖分方法； 

④、完成网格剖分； 

⑤、输出网格剖分文件。 

所述的部件的基本尺寸结构按如下方法求得：如图6所示， 

(一)、输入网格剖分文件； 

(二)、利用有限元的基本方程中确定边界条件和载荷； 

(三)、应用求解器求解上述方程； 

(四)、将应力计算结果与国家规定标准对比，判断对比结果是否合格，如果是合格则确定 

并输出部件的三维图形尺寸，如果否则改进部件结构尺寸并重新设计。 

其中步骤(二)中的基本方程、边界条件和载荷如下： 

(1)基本方程1 

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂y}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂z}+f_x=0$

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}}{\∂y}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂z}+f_y=0$

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}}{\∂y}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂z}+f_z=0$

(2)基本方程2 

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}=\frac{\∂u}{\∂x}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}=\frac{\∂v}{\∂y}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{\∂w}{\∂z}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}=\frac{\∂w}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂z}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}=\frac{\∂w}{\∂x}+\frac{\∂u}{\∂z}$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x}$

(3)基本方程3 

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}\end{array}\right)=\frac{E}{(1+V)(1-2V)}\left(\begin{array}{cccccc}1-V& V& V& & & \\ V& 1-V& V& & & \\ V& V& 1-V& & & \\ & & & 0.5-V& & \\ & & & & 0.5-V& \\ & & & & & 0.5-V\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}\end{array}\right)$

其中：u、v、w为位移，ε_xx、ε_yy、ε_zz、ε_yz、ε_xz、ε_xy为应变，σ_xx、σ_yy、σ_zz、σ_yz、σ_xz、σ_zy为应力，f_x、f_y、f_z为体力，x、y、z为直角坐标系下的坐标分量。 

参数E为弹性模量、V为泊松比。 

(4)边界条件 

边界条件 

u＝u₀  v＝v₀  w＝w₀

载荷条件 

T_x＝f₁  T_y＝f₂  T_z＝f₃

所述的输出图纸按如下方法求得：如图7所示， 

(1)、根据确定部件的基本尺寸，设计部件制造工程图纸； 

(2)、用试验和计算相结合的方法判断部件的尺寸结构，判断部件尺寸是否合格？如果不合格则返回重新设计部件尺寸，如果合格则输出工程图纸并完成设计报告。 

表2-1 

表2-2 

由以上方法编译之后生成的几何参数输入界面，如图8所示， 

程序员根据输入的参数生成对应的前处理软件批处理文件，于是在很短的时间内就可得到主轴的三维显示图形，如图9所示。 

Claims (1)

1.一种风力发电机组参数化零部件设计方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1、设计部件参数化尺寸三维图形；

步骤2、分析设计部件结构的受力条件，采用固体力学线弹性小变形理论，得到零部件的应力和位移；

步骤3、根据步骤2的计算结果，反复调整设计部件的基本尺寸结构，使整体结构全部满足强度和形变的要求；

步骤4、根据确认的部件的基本尺寸，进行工程加工制造图设计和制造工艺要求，最后设计员完成设计报告和工程图纸；

所述的三维图形按如下方法求得：

I、确定设计部件名称及结构；

II、输入设计部件结构尺寸，得到设计部件图形文件；

III、根据结构输出部件图形；

IV、确定部件参数的输入变量；

V、给变量赋值，运行图形输出程序；

VI、调整宏命令，输出部件的三维图形；

VII、回到步骤IV，循环输入部件参数的输入变量，输入变量的次数为2到N次，N为自然数，得到部件的三维图形；

所述的部件应力和位移按如下方法求得：

①、输入三维设计部件图形文件；

②、确定剖分结构形式，进行部件网格剖分；

③、根据部件结构尺寸的边界条件，确定自动剖分方法；

④、完成网格剖分；

⑤、输出网格剖分文件；

所述的部件的基本尺寸结构按如下方法求得：

(一)、输入网格剖分文件；

(二)、利用有限元的基本方程确定边界条件和载荷；

(三)、应用求解器求解上述方程；

(四)、将应力计算结果与国家规定标准对比，判断对比结果是否合格，如果是合格则确定并输出部件的三维图形尺寸，如果否则改进部件结构尺寸并重新设计；

其中步骤(二)中的基本方程、边界条件和载荷如下：

(1)基本方程1 

(2)基本方程2

(3)基本方程3

其中：u、v、w为位移，ε_xx、ε_yy、ε_zz、ε_yz、ε_xz、ε_xy为应变，σ_xx、σ_yy、σ_zz、σ_yz、σ_xz、σ_xy为应力，f_x、f_y、f_z为体力，x、y、z为直角坐标系下的坐标分量；

参数E为弹性模量、V为泊松比；

(4)边界条件

边界条件

u＝u₀  v＝v₀  w＝w₀

载荷条件

T_x＝f₁  T_y＝f₂  T_z＝f₃

所述的输出图纸按如下方法求得： 

(1)、根据确定部件的基本尺寸，设计部件制造工程图纸；

(2)、用试验和计算相结合的方法判断部件的尺寸结构，判断部件尺寸是否合格，如果不合格则返回重新设计部件尺寸，如果合格则输出工程图纸并完成设计报告。 

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