CN109441287A - 一种风机塔筒门框参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风机塔筒门框参数设计方法，通过对塔筒门框有限元模型进行有限元分析；然后选取门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度、筋板向内拉伸厚度为设计参数，建立塔筒门框的应力目标函数；最后选取风机塔筒样本点，获取样本点对应的应力响应值，根据样本点及各应力响应值建立应力响应面函数，对应力响应面函数进行求解获取应力最优参数组。本发明从应力着手，获取使最大等效应力最小的最优参数，保证了在塔筒门框承载能力的情况下，通过设计优化使得门框结构达到最优化，节约了门框参数优化时间，提高了塔筒门框参数优化的效率，表明了门框尺寸与其应力之间的关系。

Description

一种风机塔筒门框参数设计方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种风机塔筒门框参数设计方法。

背景技术

我国风电事业最近几年迅速发展，并且有着良好的发展前景，由于风电机组单机容量小的特点，一般一个风电场安装的风电机组都在几十台，甚至上百台。风力发电机(简称风机)主要由叶片、齿轮箱、发电机、塔筒、基础等部分组成。塔筒作为风机的重要组成部分，其承担着风机的大部分重量并为风机运行提供足够强度、刚度等安全保障。由于门框的存在改变了塔筒原有结构，门框所在区域形状发生突变，容易出现应力集中现象，使得塔筒门框区域成为塔筒最易受到破坏的部位之一。

工程实践证明，合理的门框设计能够使得门框区域应力集中现象明显降低。目前针对塔筒门框尺寸的设计主要根据经验公式来进行，即根据塔筒门框所在区域筒壁厚度来乘以相应的系数来获取塔门的筋板厚度、塔筒径向长度等尺寸。如申请公布号为“CN102434408A”，名称为“风力发电机组塔架门洞及其设计方法”的中国发明专利申请，该专利虽然其能够快速得出一个门框尺寸，但门框及附近区域是否能够满足极限强度与疲劳强度的要求仍未知，即使满足，针对门框的优化也是通过逐渐手动调整门框尺寸等来实现的，这样优化门框尺寸费时费力，参数优化效率低，不仅不能有效找出门框最优尺寸，而且不能反映出门框尺寸和门框应力之间存在怎样的影响关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风机塔筒门框参数设计方法，用于解决现有技术中风机塔筒门框参数优化效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种风机塔筒门框参数设计方法，包括如下步骤；

1)建立风机塔筒门框三维模型，将所述风机塔筒门框三维模型转换为有限元模型，并施加载荷，根据所述有限元模型对塔筒进行有限元分析；

2)选取门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度、筋板向内拉伸厚度为设计参数，以最大等效应力最小为目标，建立塔筒门框的应力目标函数；

3)选取风机塔筒样本点，将选取的样本点代入到所述应力目标函数中得到对应的应力响应值，根据样本点及各应力响应值建立应力响应面函数，对所述应力响应面函数进行求解，获取与应力对应的最优参数组。

本发明通过对塔筒门框有限元模型进行有限元分析；然后选取门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度、筋板向内拉伸厚度为设计参数，建立塔筒门框的应力目标函数；最后选取风机塔筒样本点，获取样本点对应的应力响应值，根据样本点及各应力响应值建立应力响应面函数，对应力响应面函数进行求解获取应力最优参数组。本发明从应力着手，获取使最大等效应力最小的最优参数，保证了在塔筒门框承载能力的情况下，通过设计优化使得门框结构达到最优化，节约了门框参数优化时间，提高了塔筒门框参数优化的效率，表明了门框尺寸与其应力之间的关系。

为了使最终设计得到的塔筒质量最小，在对风机塔筒门框参数进行优化时，还考虑了门框质量，以门框质量最小为目标建立塔筒门框的质量目标函数，将各最优参数组代入所述质量目标函数中，确定使塔筒门框质量最小的一组最优参数。

为了清楚的表示应力、质量与设计参数之间的关系，所述应力目标函数与所述质量目标函数的表达式为：

minF(X)，minG(X)

其中，F₀(X)为最大等效应力优化的限值；G₀(X)为门框原始质量；F_i(X)为应力函数响应值，i＝1,2,......n；G_j(X)为质量函数响应值，j＝1,2,......n；n为样本个数；t₁为门框筋板厚度；h₁为筋板向外拉伸厚度；h₂为筋板向内拉伸厚度。

为了根据获取的样本点提高实验精度，步骤3)中，根据中心复合实验方法选取风机塔筒样本点。

为了满足工程应用需要，所述响应面函数为二阶多项式，其数学表达式为：

其中，y(x)为应力响应值；x_i、x_j为设计参数，所述设计参数包括所述门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度及筋板向内拉伸厚度，i＝1,2,......,k，j＝1,2,......,k；β₀、β_i、β_ii、β_ij为待确定的回归系数。

为了验证应力响应面函数的有效性，在所述应力响应面函数建立后，需对所述响应面函数进行显著性校验。

对所述应力响应面函数求解之前，分析各设计参数对应力响应面函数的影响，优先调整对应力影响最大的设计参数。节约了计算时间，提高计算效率，使应力响应面函数很快达到最优。

附图说明

图1为本发明的风机塔筒门框优化设计方法流程示意图；

图2为本发明的塔筒顶部载荷MY的方向示意图；

图3为本发明的塔筒结构示意图；

图4为本发明的塔筒门框尺寸示意图；

图5为本发明的塔门筋板厚度t₁、筋板向外拉伸厚度h₁交互作用对等效应力影响示意图；

图6为本发明的塔门筋板厚度t₁、筋板向内拉伸厚度h₂交互作用对等效应力影响示意图；

图7为本发明的筋板向外拉伸厚度h₁、筋板向内拉伸厚度h₂交互作用对等效应力影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明提供了一种风机塔筒门框参数设计方法，首先建立风机塔筒门框三维模型，将风机塔筒门框三维模型转换为有限元模型，并施加载荷，根据有限元模型对塔筒进行有限元分析；然后选取门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度、筋板向内拉伸厚度为设计参数，以最大等效应力最小为目标，建立塔筒门框的应力目标函数；最后选取风机塔筒样本点，将选取的样本点代入到应力目标函数中得到对应的应力响应值，根据样本点及各应力响应值建立应力响应面函数，对应力响应面函数进行求解，获取与应力对应的最优参数组。本发明能够在保证塔筒门框承载能力的情况下，通过设计优化使得门框结构达到最优化，节约了门框参数优化时间，表明了门框尺寸与其应力之间的关系。

具体的，如图1所示，本发明的风机塔筒门框参数设计方法，包括如下步骤：

第1步，在三维建模软件中建立包含塔门的塔筒三维简化模型，考虑塔筒顶部载荷My，塔筒顶部载荷My是塔筒及塔门计算时的主导载荷，塔筒三维简化模型的建模过程为：如图2所示，根据GL2010规范确定塔筒模型坐标系，其中坐标原点在塔筒底部法兰下底面中心处，X轴由原点指向顺风向，Y轴由原点指向顺风向的左方，z轴由原点垂直指向塔筒上方，门框的开口位置为塔筒迎风面的正前方；对门框结构分析影响不大的塔筒内部平台、爬梯、电缆支架等附属件不予建模；仅建立包含门框的塔筒底部的模型。图2中，M_XF、M_YF、M_ZF分别为X轴、Y轴、Z轴上的弯矩，F_XF、F_YF、F_ZF分别为X轴、Y轴、Z轴上的力。

第2步，如图3所示的塔筒结构包括塔筒1和塔门2，将塔筒简化模型转为STP格式导入有限元分析软件，划分网格时整个模型采用高阶六面体单元，对门框计算所需区域网格进行细化处理，其他区域适当减小网格密度；塔筒与门框均采用Q345E结构钢焊接成型，按照GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》规范设置其弹性模量、泊松比、密度，并按照门框厚度尺寸对其屈服强度进行修正。

第3步，建立有限元模型后对塔筒模型底部进行全约束。工程实践表明门框强度对弯矩载荷较为敏感，因此为了计算方便，本实施案例仅考虑My载荷分量对门框区域应力分布的影响。

根据GL2010规范，计算得到极限工况下塔筒顶部My，施加在塔筒顶部中心点，通过有限元分析得到模型原始条件下应力情况。

第4步，要建立优化计算的数学模型需要先确定模型的设计参数、优化目标、约束条件。影响门框区域应力变化的因素众多，例如门框形状、门框离地高度、筒壁厚度等，本实施案例仅假设在其他条件均不变的情况下，研究图4中门框筋板厚度t₁、筋板向外拉伸厚度h₁、筋板向内拉伸厚度h₂三者对门框区域等效应力的影响。因此将t₁、h₁、h₂作为设计参数，记为X＝(t₁,h₁,h₂)，取值范围为保证门框制造安装工艺前提下其所能达到的限值。

由于对塔筒门框设计影响最大的因子是等效应力，因此，可以只计算等效应力影响下的门框最优参数，但是为了使塔筒门框更加符合设计要求，综合考虑成本等各方面的设计要求，本实施例还考虑了塔筒门框质量，进一步对塔筒门框质量进行优化，使塔筒门框质量最小。

因此，选取门框区域的最大等效应力与门框质量为优化分析的目标函数，分别记为F(X)、G(X)。

设最大等效应力优化的限值为F₀(X)，门框的原始质量为质量优化的限值G₀(X)，将等效应力优化优先级设为最高，门框质量优化的优先级次之。

由此构建的优化模型数学表达式为：

minF(X)，minG(X)

其中：F₀(X)为最大等效应力优化的限值；G₀(X)为门框原始质量；F_i(X)为应力函数响应值，i＝1,2,......n；G_j(X)为质量函数响应值，j＝1,2,......n；n为样本个数；t₁为门框筋板厚度；h₁为筋板向外拉伸厚度；h₂为筋板向内拉伸厚度。

第5步，样本点选取方法对构造的响应面函数精度影响较大，因此需要一个好的实验设计来确保样本点选取的合理性。本实施例采用中心复合实验设计(CCD)的3个子类之一的面心立方设计(CCF)方法来选取样本点，同时将CCF的样本点数量进行加强，以提高实验精度。除此之外，还可采用Plackett–Burman(PB)、Box-BehnkenDesign(BBD)等采样方法。

第6步，对样本点分析，将选取的样本点代入到应力目标函数中得到对应的应力响应值，根据样本点及各应力响应值建立应力响应面函数，对应力响应面函数进行求解，获取与应力对应的最优参数组。在工程应用中，一般采用二阶多项式来构建应力响应面函数，其数学表达式为：

其中，y(x)为应力响应值；x_i、x_j为设计参数，所述设计参数包括所述门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度及筋板向内拉伸厚度，i＝1,2,......,k，j＝1,2,......,k；β₀、β_i、β_ii、β_ij为待确定的回归系数。

第7步，应力响应面函数建立之后，一般需要对拟合曲面进行显著性检验，通常采用决定系数R²、修正决定系数R_adj ²、均方根误差δ_RMSE来检验应力响应面函数的有效性，R²、R_adj ²值越接近1说明应力响应面函数越有效，经计算目标函数的决定系数R²，修正决定系数R_adj ²均为0.99以上，均方根误差δ_RMSE比较小，说明应力响应面函数精度很高。

第8步，分析各设计参数之间交互作用对门框区域最大等效应力的影响。三个设计参数之间的交互作用对门框区域最大等效应力的影响如图5、图6与图7所示，可以看出筋板厚度t₁与筋板向内拉伸厚度h₂的交互作用对等效应力的影响最大，后续优化时，优先针对筋板厚度t₁与筋板向内拉伸厚度h₂进行调整。

第9步，对于多目标优化问题，各优化目标之间一般不能同时达到最优，因此只能得出一系列有效解的pareto解。本实施案例基于遗传算法对应力响应面函数进行优化分析，综合考虑制造成本与实用性等因素，以门框质量最小为目标建立塔筒门框的质量目标函数，将各最优参数组代入质量目标函数中，确定使门框质量最小的一组最优参数。将该组最优参数回代到塔筒门框模型，进行有限元计算以验证优化结果。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风机塔筒门框参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤；

1)建立风机塔筒门框三维模型，将所述风机塔筒门框三维模型转换为有限元模型，并施加载荷，根据所述有限元模型对塔筒进行有限元分析；

2)选取门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度、筋板向内拉伸厚度为设计参数，以最大等效应力最小为目标，建立塔筒门框的应力目标函数；

3)选取风机塔筒样本点，将选取的样本点代入到所述应力目标函数中得到对应的应力响应值，根据样本点及各应力响应值建立应力响应面函数，对所述应力响应面函数进行求解，获取与应力对应的最优参数组。

2.根据权利要求1所述的风机塔筒门框参数设计方法，其特征在于，在对风机塔筒门框参数进行优化时，还考虑了门框质量，以门框质量最小为目标建立塔筒门框的质量目标函数，将各最优参数组代入所述质量目标函数中，确定使塔筒门框质量最小的一组最优参数。

3.根据权利要求2所述的风机塔筒门框参数设计方法，其特征在于，所述应力目标函数和所述质量目标函数的表达式为：

minF(X)，minG(X)

其中，F₀(X)为最大等效应力优化的限值；G₀(X)为门框原始质量；F_i(X)为应力函数响应值，i＝1,2,......n；G_j(X)为质量函数响应值，j＝1,2,......n；n为样本个数；t₁为门框筋板厚度；h₁为筋板向外拉伸厚度；h₂为筋板向内拉伸厚度。

4.根据权利要求1所述的风机塔筒门框参数设计方法，其特征在于，步骤3)中，根据中心复合实验方法选取风机塔筒样本点。

5.根据权利要求4所述的风机塔筒门框参数设计方法，其特征在于，所述应力响应面函数为二阶多项式，其数学表达式为：

其中，y(x)为应力响应值；x_i、x_j为设计参数，所述设计参数包括所述门框筋板厚度、筋板向外拉伸厚度及筋板向内拉伸厚度，i＝1,2,……,k，j＝1,2,……,k；β₀、β_i、β_ii、β_ij为待确定的回归系数。

6.根据权利要求5所述的风机塔筒门框参数设计方法，其特征在于，所述应力响应面函数建立后，需对所述应力响应面函数进行显著性校验。

7.根据权利要求1所述的风机塔筒门框参数设计方法，其特征在于，对所述应力响应面函数求解之前，分析各设计参数对所述应力响应面函数的影响，优先调整对应力影响最大的设计参数。