CN112818581B - 风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，首先，根据风力发电机组主机架的功能需求模块和组成构件构建主机架的拓扑优化模型，将涉及变量区域完全填充并设置冻结区域，并将拓扑优化模型导入拓扑优化软件中对主机架的设计变量区域进行拓扑优化。然后，根据拓扑优化结果重构主机架的结构模型，并根据主机架的装配工艺需求和制造工艺需求，构建主机架的二次拓扑优化模型，并将二次拓扑优化模型导入拓扑优化软件中继续进行拓扑优化。最后，通过有限元方法验证在疲劳工况和极限工况下二次拓扑的优化结果是否满足设计要求，如果满足要求，则得到主机架的优化结构，反之，则需要调整拓扑优化参数，重新进行拓扑优化。

Description

风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计优化、验证或模拟技术领域，具体涉及一种风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法。

背景技术

风力发电机组的主机架给主轴部件、齿轮箱、发电机、风轮系统、偏航系统、润滑系统等提供支撑，且在工作过程中其受力情况比较复杂。因此主机架的结构设计时需要保证其强度、刚度、稳定性。目前，我国风电产业实现稳步发展，正逐步由竞价迈向平价时代，主机架的成本控制要求较高，需要在满足主机架使用要求的情况下，使其设计生产制造成本降到最低，这对主机架设计提出更高要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，可以缩短设计周期，降低设计生产制造总成本。

具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，包括：

建立主机架的拓扑优化模型，并对拓扑优化模型的设计变量区域进行拓扑优化；

基于拓扑优化结果，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立主机架的二次拓扑优化模型，并对二次拓扑优化模型的设计变量区域进行拓扑优化；

通过有限元分析方法验证二次拓扑优化模型在极限工况和疲劳工况是否满足设计要求，当不满足设计要求时，重新进行拓扑优化设计。

结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，所述建立主机架的拓扑优化模型包括：

构建风力发电机组的有限元模型，得到所述主机架的拓扑优化模型；

通过有限元分析验证所述拓扑优化模型的可行性，若验证未通过，则重新建立所述拓扑优化模型。

结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，所述构建风力发电机组的有限元模型包括：

根据风力发电机组主机架的功能需求模块建立所述主机架的前期拓扑模型；

基于前期拓扑模型，根据风力发电机组组成构件，采用完全建模方法构建所述风力发电机组的结构模型；

对所述结构模型的部分部件进行简化或去除处理，得到简化模型；

对简化模型进行网格划分，得到所述风力发电机组的有限元模型。

结合第一方面，在第一方面的第三种可实现方式中，定义应变能最小化为拓扑优化的目标函数，定义主机架体积为原模型体积的10％～30％为拓扑优化的第一约束条件，定义主机架左右对称为拓扑优化的第二约束条件，定义所述设计变量区域为设计变量。

结合第一方面，在第一方面的第四种可实现方式中，根据GL标准或者IEC标准确定所述主机架的极限工况作为拓扑优化的载荷工况。

结合第一方面，在第一方面的第五种可实现方式中，所述基于拓扑优化结果，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立主机架的二次拓扑优化模型，包括：

将通过拓扑优化得到的主机架的节点单元模型转化为边界连续实体模型；

根据边界连续实体模型构建所述主机架的初步结构模型；

基于所述初步结构模型，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立所述主机架的二次拓扑优化模型。

结合第一方面，在第一方面的第六种可实现方式中，所述通过有限元分析方法验证二次拓扑优化模型在极限工况和疲劳工况是否满足设计要求包括：

所述通过有限元分析方法验证二次拓扑优化模型在极限工况和疲劳工况是否满足设计要求包括：

将二次拓扑优化模型通过拓扑优化得到的主机架的节点模型转化为实体模型；

根据实体模型构建所述主机架的整体结构模型；

基于整体结构模型，根据风力发电机组组成构件构建所述风力发电机组的优化结构有限元模型；

通过疲劳工况和极限工况对优化结构有限元模型进行验证，若验证未通过，则重新进行拓扑优化设计，反之，则确定所述整体结构模型为所述主机架的最优三维结构模型。

第二方面，提供了一种存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序运行时执行第一方面、第一方面的第一至六种可实现方式中的任意一种风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法。

有益效果：本发明基于主机架工作过程的受力情况，同时结合制造工艺需求和机组装配需求，利用轻量化设计方法，在保证主机架的强度、刚度以及稳定性的前提下，缩短了主机架的设计周期、实现了主机架的轻量化设计，减少了主机架的加工制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例提供的设计方法的流程图；

图2为图1所示的建立拓扑优化模型的流程图；

图3为图2所示的建立风力发电机组的有限元模型的流程图；

图4为图1所示的建立主机架的二次拓扑优化模型的流程图；

图5为图1所示的对二次拓扑优化模型的拓扑优化结果进行验证的流程图；

图6为主机架的前期拓扑模型；

图7为主机架的拓扑优化模型；

图8为第一次拓扑优化后得到的主机架的初步结构模型

图9为主机架的整体结构模型。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法的流程图，该设计方法包括：

步骤1、建立主机架的拓扑优化模型，并对拓扑优化模型的设计变量区域进行拓扑优化；

步骤2、基于拓扑优化结果，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立主机架的二次拓扑优化模型，并对二次拓扑优化模型的设计变量区域进行拓扑优化；

步骤3、通过有限元分析方法验证二次拓扑优化模型在极限工况和疲劳工况是否满足设计要求，当不满足设计要求时，重新进行拓扑优化设计。

具体而言，首先，可以根据风力发电机组主机架的功能需求模块和组成构件构建主机架的拓扑优化模型，将涉及变量区域完全填充，并将拓扑优化模型导入拓扑优化软件中，如Tosca软件，并设定拓扑参数和载荷工况，对主机架的设计变量区域进行拓扑优化。

然后，由于风力发电机的装配工艺需求和制造需求，需要在主机架上增加工艺孔和微调部分结构。而所述拓扑优化模型是具有很多的填充的设计变量区域，所以所述拓扑优化模型不适合进行工艺孔、微调结构等这种精细优化。

因此，可以根据拓扑优化结果重构主机架的结构模型，并根据主机架的装配工艺需求和制造工艺需求，构建主机架的二次拓扑优化模型，并将二次拓扑优化模型导入拓扑优化软件中并设定拓扑参数和载荷工况，继续对二次拓扑优化模型的设计变量区域进行精细的拓扑优化。

最后，通过有限元方法验证在疲劳工况和极限工况下验证二次拓扑优化结果是否满足预设的设计要求，如果满足要求，则得到主机架的优化结构，反之，则需要调整拓扑优化参数重新进行拓扑优化。

在本实施例中，优选的，如图2所示，所述建立主机架的拓扑优化模型包括：

步骤1-1、构建风力发电机组的有限元模型，得到所述主机架的拓扑优化模型；

步骤1-2、通过有限元分析验证所述拓扑优化模型的可行性，若验证未通过，则重新建立所述有限元模型。

具体而言，首先，可以基于风力发电机组主机架的三维模型建立风力发电机组的有限元模型。然后，将有限元模型导入有限元分析软件中，如Abaqus软件，设置有限元模型的材料参数、边界条件、载荷条件等，并完成拓扑优化组的定义，构建起主机架的拓扑优化模型。最后，将拓扑优化模型导入有限元分析软件中，初步运算所述拓扑优化模型的可行性，如果可行，则即可输出拓扑优化模型，反之，则需要重新调整风力发电机组的有限元模型直至运算通过，输出拓扑优化模型为止。

在本实施例中，优选的，如图3所示，所述构建风力发电机组的有限元模型包括：

步骤1-1-1、根据风力发电机组主机架的功能需求模块建立所述主机架的前期拓扑模型；

步骤1-1-2、基于前期拓扑模型，根据风力发电机组组成构件，主要分析对象采用完全建模方法构建模型；

步骤1-1-3、对所述结构模型的部分部件进行简化或去除处理，得到简化模型；

步骤1-1-4、对简化模型进行网格划分，得到所述风力发电机组的有限元模型。

具体而言，首先，可以根据风力发电机组主机架的功能需求模块，如轴承座安装面、风轮锁紧安装孔、偏航齿轮箱安装面、弹性支承安装面、偏航轴承安装面、偏航制动器安装面等模块区域设置为冻结区域，即非参与优化区域，其余区域为设计变量区域，构造主机架的前期拓扑模型，建立的前期拓扑模型如图6所示。

然后，基于主机架的前期拓扑模型，根据风电机组组成构件，如主轴、轴承座、联轴器、风轮锁紧盘等，采用完全建模方式完成整个风力发电机组模型的建模。

之后，按照每个部件的重要程度对风力发电机组模型进行简化和去除处理。其中，重要部件可以简化为质量点，如轴承滚动体、齿轮箱、后机架等。次要部件可以去除，如轮毂、偏航齿轮箱、偏航轴承、偏航制动器等，最后得到简化模型，如图7所示。

最后，使用前处理软件对简化模型进行网格划分，得到所述风力发电机组的有限元模型，前处理软件可以采用Hypermesh软件。

在本实施例中，优选的，定义应变能最小化为拓扑优化的目标函数，定义主机架体积为原模型体积的10％～30％为拓扑优化的第一约束条件，定义主机架左右对称为拓扑优化的第二约束条件，定义所述设计变量区域为设计变量。

具体而言，将主机架的拓扑优化模型导入拓扑优化软件后，可以根据轻量化设计目标，将应变能最小化作为目标函数，设置主机架体积为原模型体积的10％～30％为第一约束条件，具体数值可根据模型材料填充情况调整。考虑到主机架的结构左右对称，可以添加主机架左右对称作为第二约束条件。设计变量为步骤1-1-1中的所述设计变量区域，算法可选择控制算法或者灵敏度算法，计算终止条件可设置迭代计算50次。设定好目标函数、约束条件等后，对主机架的拓扑优化模型迭代求解，拓扑优化主机架的设计变量区域，得到拓扑优化结果。

在本实施例中，优选的，根据GL标准或者IEC标准确定所述主机架的极限工况作为拓扑优化的载荷工况。

在本实施例中，优选的，如图4所示，所述基于拓扑优化结果，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立主机架的二次拓扑优化模型，包括：

步骤2-1、将通过拓扑优化得到的主机架的节点单元模型转化为边界连续实体模型；

步骤2-2、根据边界连续实体模型构建所述主机架的初步结构模型，初步结构模型如图8所示；

步骤2-3、基于所述初步结构模型，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立所述主机架的二次拓扑优化模型。

具体而言，首先，将拓扑优化结果的节点单元模型转化为边界连续实体模型。然后，基于边界连续实体模型构建主机架的初步结构模型。最后，结合装配工艺需求和制造工艺需求，设定初步结构模型的设计变量区域，得到初步结构模型的前期拓扑模型，并采用与第一次拓扑优化相同的方式建立主机架的二次拓扑优化模型，继续进行第二次拓扑优化，最后得到主机架最终的优化结构。如此，充分考虑到安装空间和制造过程中模具制造装配等问题，增加工艺孔并微调部分结构，有利于减少后期生产制造的材料补贴，且有利于延长模具寿命。

在二次拓扑优化中，除了上述的第一约束条件和第二约束条件外，还可以增加主机架的上平面与底面连接的侧壁厚度最小值作为拓扑优化的第三约束条件。侧壁厚度最小值可以根据风力发电机组的应用平台调整，如大MW级别的主机架壁厚相对较厚，可以选择较大的厚度。

在本实施例中，优选的，如图5所示，所述通过有限元分析方法验证二次拓扑优化模型在极限工况和疲劳工况是否满足设计要求包括：

步骤3-1、将二次拓扑优化模型通过拓扑优化得到的主机架的节点模型转化为实体模型；

步骤3-2、根据实体模型构建所述主机架的整体结构模型，整体结构模型如图9所示；

步骤3-3、基于整体结构模型，根据风力发电机组组成构件构建所述风力发电机组的优化结构有限元模型；

步骤3-4、通过疲劳工况和极限工况对优化结构有限元模型进行验证，若验证未通过，则重新进行拓扑优化设计，反之，则所述整体结构模型为主机架的最优三维结构模型。

一种存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序运行时执行上述的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，其特征在于，包括：

建立主机架的拓扑优化模型，并对拓扑优化模型的设计变量区域进行拓扑优化；

基于拓扑优化结果，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立主机架的二次拓扑优化模型，并对二次拓扑优化模型的设计变量区域进行拓扑优化，定义应变能最小化为拓扑优化的目标函数，定义主机架体积为原模型体积的10％～30％为拓扑优化的第一约束条件，定义主机架左右对称为拓扑优化的第二约束条件，定义所述设计变量区域为设计变量；

通过有限元分析方法验证二次拓扑优化模型在极限工况和疲劳工况是否满足设计要求，当不满足设计要求时，重新进行拓扑优化设计。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述建立主机架的拓扑优化模型包括：

构建风力发电机组的有限元模型，得到所述主机架的拓扑优化模型；

通过有限元分析验证所述拓扑优化模型的可行性，若验证未通过，则重新建立所述拓扑优化模型。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述构建风力发电机组的有限元模型包括：

根据风力发电机组主机架的功能需求模块建立所述主机架的前期拓扑模型；

基于前期拓扑模型，根据风力发电机组组成构件，采用完全建模方法构建所述风力发电机组的结构模型；

对所述结构模型的部分部件进行简化或去除处理，得到简化模型；

对简化模型进行网格划分，得到所述风力发电机组的有限元模型。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，其特征在于，根据GL标准或者IEC标准确定所述主机架的极限工况作为拓扑优化的载荷工况。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述基于拓扑优化结果，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立主机架的二次拓扑优化模型，包括：

将通过拓扑优化得到的主机架的节点单元模型转化为边界连续实体模型；

根据边界连续实体模型构建所述主机架的初步结构模型；

基于所述初步结构模型，根据制造工艺需求和装配工艺需求建立所述主机架的二次拓扑优化模型。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法，其特征在于，所述通过有限元分析方法验证二次拓扑优化模型在极限工况和疲劳工况是否满足设计要求包括：

将二次拓扑优化模型通过拓扑优化得到的主机架的节点模型转化为实体模型；

根据实体模型构建所述主机架的整体结构模型；

基于整体结构模型，根据风力发电机组组成构件构建所述风力发电机组的优化结构有限元模型；

通过疲劳工况和极限工况对优化结构有限元模型进行验证，若验证未通过，则重新进行拓扑优化设计，反之，则确定所述整体结构模型为所述主机架的最优三维结构模型。

7.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，该计算机程序运行时执行如权利要求1-6任一所述的风力发电机组主机架的拓扑优化设计方法。

Images