CN115994475B - 基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法及变压器外壳 - Google Patents
基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法及变压器外壳 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法及变压器外壳，建立变压器外壳的初始结构模型并导入有限元分析软件；对初始结构模型施加不同工况下的载荷和边界条件，对其展开相应的模态分析和静力分析；将不同工况的仿真结果按照各自所占的比例权重进行组合，作为拓扑优化的前置输入；以外壳结构的体积分数、固有频率和重心位置等参数作为约束条件，并以整体柔度作为目标函数，采用变密度各向同性材料惩罚模型算法对初始结构进行拓扑优化，得到优化设计结构；基于惯性矩等效原则，进一步对优化结构中的相关支撑部件展开调整，从而使最终的外壳设计结构能够在满足相关力学性能的同时，达到实际加工制造的要求。
Description
技术领域
本发明涉及变压器的结构优化设计方法领域，特别涉及一种基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法及变压器外壳。
背景技术
随着风力发电领域技术的不断迭代更新，风电干式变压器的安装位置已逐渐从地面转移至风电塔筒。特别是对于海上风电系统，由于其特殊的运行环境，通常会采用在机舱内部安装干式变压器的方式。因此，风电干式变压器通常需要对其进行相应的外壳设计，以便与机舱连接。然而，由于风电机舱空间和运行条件的限制，风电干式变压器外壳在尺寸、重心、强度、刚度、抗震特性等方面都有着相当严格的设计要求。如果仅凭经验开展风电干式变压器外壳的设计，不仅设计难度高、设计周期长，而且难以同时满足所有设计要求，容易造成人力物力等资源的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法及变压器外壳，旨在解决背景技术中提到的风电干式变压器外壳设计困难的技术问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案有：
本发明提供一种基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其包括：
S1：根据外壳设计要求，建立外壳的初始结构模型并开展有限元分析，将有限元计算结果作为拓扑前置输入条件；
S2：根据拓扑前置输入条件，采用变密度各向同性材料惩罚模型算法对外壳的初始结构开展拓扑优化分析，获得外壳的优化设计结构；
S3：基于惯性矩等效原则，对外壳的优化设计结构中不满足实际加工制造要求的部分进行调整，得到外壳的最终设计结构；
S4：结合外壳设计要求，对外壳的最终设计结构进行工况的数值模拟分析，判断是否符合设计要求，若是，完成优化；若否，则返回S3中重新微调设计。
与现有技术相比，本申请创新地使用拓扑优化的方式对变压器外壳进行设计，按照上述方式设计的变压器外壳既能够满足外壳设计要求的同时，也不需要设计工程师凭借经验进行设计，降低设计难度而且符合实际加工制造要求，有效降低人力物力等资源的浪费
在一种实施例中，所述步骤S1包括：
S11：在三维软件中构建外壳的初始结构模型，并导入有限元分析软件中建立有限元模型；
S12：根据外壳设计要求，确定不同工况下的载荷作用情况以及相应的边界条件；
S13：对有限元模型进行模态、静态和动态计算，得到不同工况下的外壳的固有频率以及应力、应变分布情况；
S14：将多个简单工况下的仿真计算结果按照各自所占的比例进行权重计算及组合算法，得到拓扑前置输入条件。
在一种实施例中，所述步骤S12具体为：
在针对不同工况施加载荷作用时，按照外壳设计要求，确定外壳沿±X、±Y和±Z的6个方向上分别受到的最大载荷。
在一种实施例中，所述步骤S14的权重计算及组合算法具体为通过
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为简单工况、简单工况所对应的目标函数和目标函数的有效权重系数；
该有效权重系数
的计算公式为：/>
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为有限元分析软件中的输入权重系数。
在一种实施例中，所述步骤S2包括：
S21：在有限元分析软件中输入拓扑前置输入条件，设置拓扑优化分析的相关参数；
S22：将外壳的初始结构中的关键结构部件、必要连接部件以及主要外部边界设置为非优化区域，其余部分均设置为优化区域；
S23：采用变密度各向同性材料惩罚模型对S22中的初始结构开展拓扑优化分析。
在一种实施例中，所述步骤S21中的设置拓扑优化分析的相关参数具体为：
设置外壳结构整体柔度最小化为优化目标函数，设置体积分数参数、最小固有频率和重心坐标范围为外壳结构优化的约束条件。
在一种实施例中，所述步骤S23中的采用变密度各向同性材料惩罚模型对S22中的初始结构开展拓扑优化分析具体为：
基于以下数学模型：
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通过对上述数学模型进行反复迭代，得到以外壳结构整体柔度最小化为目标，以体积分数、固有频率和中心范围为约束的外壳的优化设计结构。
在一种实施例中，所述步骤S3具体包括：
S31：利用下列公式：
计算优化区域剩余结构的惯性矩，其中，
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和A分别表示y轴的最大惯性矩、z轴的最大惯性矩和横截面面积；
S32：基于惯性矩等效原则，根据机械设计手册选择与惯性矩计算结果相近的型材，利用型材替换优化区域的剩余结构，得到外壳的最终设计结构。
在一种实施例中，所述步骤S4的工况模拟分析具体为：
按照外壳设计要求，对S3中的外壳的最终设计结构进行展开模态、静力、谐响应、耐久性、响应谱和随机振动的工况的数值模拟分析。
本发明还提供一种变压器外壳，其包括：应用如上所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法制作而成的变压器外壳。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本申请的外壳的初始结构数值模型图；
图2是本申请的外壳的优化设计结构模型图；
图3是本申请的外壳的最终设计结构模型图。
图4是本申请的设计流程图。
具体实施方式
为了更好地阐述本发明，下面参照附图对本发明作进一步的详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A 和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A 和B，单独存在B 这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
随着风力发电领域技术的不断迭代更新，风电干式变压器的安装位置已逐渐从地面转移至风电塔筒，特别是对于海上风电系统来说，由于其特殊的运行环境，通常则会选择在机舱内部安装干式变压器的方法。因此，风电干式变压器通常需要对其进行相应的外壳设计，以便与机舱连接。然而，由于风电机舱空间和运行条件的限制，风电干式变压器外壳在尺寸、重心、强度、刚度、抗震特性等方面有着相当严格的设计要求。如果仅凭经验开展风电干式变压器的外壳设计，不仅难以同时满足所有设计要求，还容易造成人力物力等资源的浪费。
为此，结合图4所示，本发明提供一种基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其包括：
S1：根据外壳设计要求，建立外壳的初始结构模型并开展有限元分析，将有限元计算结果作为拓扑前置输入条件，具体包括以下步骤：
S11：如图1所示，在三维软件中构建外壳的初始结构模型，并导入有限元分析软件中建立有限元模型；本步骤S11利用三维软件（例如Solidworks、UG等软件）进行风电干式变压器外壳（简称外壳）的初始结构的建模，并转换为Parasolid格式后，导入到有限元分析软件中（例如ANSYS、ABAQUS等软件）建立有限元模型。其中，在构建外壳的初始结构数值模型时，仅需根据外壳设计要求将关键承载结构、必要连接部件的尺寸、截面、位置等进行确定，例如对主梁、承重梁、冷却器斜撑，出风口、入风口等进行确定，其余位置可直接采用厚度均匀的面板结构建模，例如图1中的箭头标示位置，无需对外壳的载荷传递路径、加强筋位置等进行专门的分析，上述部分的设计结构均通过后续的拓扑优化给出；
S12：根据外壳设计要求，确定不同工况下的载荷作用情况以及相应的边界条件；具体来说，不同工况包括静载工况、谐响应工况、耐久性工况和随机振动工况等，所述载荷作用包括加速度、位移、集中/均布力等，所述边界条件包括固定边界、连接方式、配重位置等；在针对不同工况施加载荷作用时，按照外壳设计要求，确定外壳沿±X、±Y和±Z的6个方向上分别受到的最大载荷，使得针对简单工况所进行的有限元分析结果能考虑外壳最危险的运行情况。在一种具体实施例中，沿±X、±Y和±Z的6个方向上分别受到的最大载荷分别为±0.5g、±0.5g和±1.5g；±X、±Y和±Z的6个方向上的静态强度的权重系数依次0.9、0.9、1、1、0.85和0.85。
S13：对S12中的有限元模型进行模态、静态和动态计算，得到不同工况下的外壳的固有频率以及应力、应变分布情况；
S14：将多个简单工况下的仿真计算结果按照各自所占的比例进行权重计算及组合算法，得到拓扑前置输入条件。具体地，所述步骤S14的权重计算及组合算法具体为通过公式
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为有限元分析软件中的输入权重系数。由于本申请的变压器的实际运行工况往往会比想象中的工况更为复杂，因此，本申请在外壳的设计过程中，需要将多个简单工况下的仿真计算结果按照比例进行权重计算及组合算法，从而使后续的拓扑优化提供判断依据。
S2：根据拓扑前置输入条件，采用变密度各向同性材料惩罚模型算法对外壳的初始结构开展拓扑优化分析，获得外壳的优化设计结构；具体包括以下步骤：
S21：在有限元分析软件中输入拓扑前置输入条件，设置拓扑优化分析的相关参数；本申请通过多个简单工况下的仿真计算结果按照各自所占的比例权重进行组合后得到拓扑前置输入条件，并将拓扑前置输入条件输入到有限元分析软件中，并设置拓扑优化分析的相关参数（例如外壳结构整体柔度最小化为优化目标函数，设置体积分数参数、最小固有频率和重心坐标范围为外壳结构优化的约束条件）。在一种具体实施例中，约束条件体积分数参数设置为15%、最小固有频率设置为13Hz、重心坐标范围（带变压器）设置为（1500±10mm，800±10mm，1600±50mm）。
S22：将外壳的初始结构中的关键结构部件、必要连接部件以及主要外部边界设置为非优化区域，其余部分均设置为优化区域，以便后续通过有限元分析软件对优化区域进行优化处理。
S23：采用变密度各向同性材料惩罚模型（SIMP）对S22中的初始结构开展拓扑优化分析。具体来说，所述步骤S23中的采用变密度各向同性材料惩罚模型对S22中的初始结构开展拓扑优化分析具体为基于以下数学模型：
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为固有频率下限；
通过对上述数学模型进行反复迭代，得到如图2所示的以外壳结构整体柔度最小化为目标，以体积分数、固有频率和中心范围为约束的外壳的优化设计结构。
S3：基于惯性矩等效原则，对外壳的优化设计结构中不满足实际加工制造要求的部分进行调整，得到外壳的最终设计结构；所述步骤S3具体包括：
S31：利用下列公式：
计算优化区域剩余结构的惯性矩，其中，
、/>
和A分别表示y轴的最大惯性矩、z轴的最大惯性矩和横截面面积；
S32：基于惯性矩等效原则，根据机械设计手册选择与惯性矩计算结果相近的型材，利用型材替换优化区域的剩余结构，得到如图3所示的外壳的最终设计结构，从而在不影响外壳结构整体力学性能的前提下，使设计能够满足实际加工制造的要求。需要说明的是，该型材可以选择方钢、角钢、槽钢等型材，利用合适的型材替换优化区域的剩余结构，从而在不影响外壳结构整体力学性能的前提下，使设计能够满足实际加工制造的要求。
S4：结合外壳设计要求，对外壳的最终设计结构进行工况的数值模拟分析，判断是否符合设计要求，若是，完成优化；若否，则返回S3中重新微调设计，直至满足要求为止。所述步骤S4的工况模拟分析具体为按照外壳设计要求，对S3中的外壳的最终设计结构进行展开模态、静力、谐响应、耐久性、响应谱和随机振动的工况的数值模拟分析，判断外壳的最终设计结构是否满足要求。
与现有技术相比，本申请创新地使用拓扑优化的方式对变压器外壳进行设计，按照上述方式设计的变压器外壳既能够满足外壳设计要求的同时，也不需要设计工程师凭借经验进行设计，降低设计难度，缩短设计周期，有效降低人力物力等资源的浪费，降低设计成本。而且本申请的设计方法在保证不影响外壳结构整体力学性能的前提下，使设计能够满足实际加工制造的要求，符合现代化生产需求。
本发明还提供一种变压器外壳，其包括：应用如上所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法制作而成的变压器外壳。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (9)
1.一种基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于，包括：
S1：根据外壳设计要求，建立外壳的初始结构模型并开展有限元分析，将有限元计算结果作为拓扑前置输入条件；
S2：根据拓扑前置输入条件，采用变密度各向同性材料惩罚模型算法对外壳的初始结构开展拓扑优化分析，基于以下数学模型：
其中，
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为固有频率下限；N为设计区域的离散单元数量；
通过对上述数学模型进行反复迭代，得到以外壳结构整体柔度最小化为目标，以体积分数、固有频率和重心坐标范围为约束的外壳的优化设计结构；
S3：基于惯性矩等效原则，对外壳的优化设计结构中不满足实际加工制造要求的部分进行调整，得到外壳的最终设计结构；
S4：结合外壳设计要求，对外壳的最终设计结构进行工况的数值模拟分析，判断是否符合设计要求，若是，完成优化；若否，则返回S3中重新微调设计。
2.根据权利要求1所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11：在三维软件中构建外壳的初始结构模型，并导入有限元分析软件中建立有限元模型；
S12：根据外壳设计要求，确定不同工况下的载荷作用情况以及相应的边界条件；
S13：对有限元模型进行模态、静态和动态计算，得到不同工况下的外壳的固有频率以及应力、应变分布情况；
S14：将多个简单工况下的仿真计算结果按照各自所占的比例进行权重计算及组合算法，得到拓扑前置输入条件。
3.根据权利要求2所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于，所述步骤S12具体为：
在针对不同工况施加载荷作用时，按照外壳设计要求，确定外壳沿±X、±Y和±Z的6个方向上分别受到的最大载荷。
4.根据权利要求2所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于：
所述步骤S14的权重计算及组合算法具体为通过
计算总目标函数/>
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为简单工况、简单工况所对应的目标函数和目标函数的有效权重系数；
该有效权重系数
的计算公式为：/>
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为有限元分析软件中的输入权重系数。
5.根据权利要求1所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21：在有限元分析软件中输入拓扑前置输入条件，设置拓扑优化分析的相关参数；
S22：将外壳的初始结构中的主梁、承重梁、冷却器斜撑，出风口、入风口以及外部边界设置为非优化区域，其余部分均设置为优化区域；
S23：采用变密度各向同性材料惩罚模型对S22中的初始结构开展拓扑优化分析。
6.根据权利要求5所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于，所述步骤S21中的设置拓扑优化分析的相关参数具体为：
设置外壳结构整体柔度最小化为优化目标函数，设置体积分数参数、最小固有频率和重心坐标范围为外壳结构优化的约束条件。
7.根据权利要求5所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31：利用下列公式：
计算优化区域剩余结构的惯性矩，其中，
、/>
和A分别表示y轴的最大惯性矩、z轴的最大惯性矩和横截面面积；/>
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分别表示截面在z轴和y轴上坐标的最大值；
S32：基于惯性矩等效原则，根据机械设计手册选择方钢、角钢、槽钢，利用方钢、角钢、槽钢替换优化区域的剩余结构，得到外壳的最终设计结构。
8.根据权利要求1所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法，其特征在于，所述步骤S4的工况模拟分析具体为：
按照外壳设计要求，对S3中的外壳的最终设计结构进行展开模态、静力、谐响应、耐久性、响应谱和随机振动的工况的数值模拟分析。
9.一种变压器外壳，其特征在于，包括：
应用如权利要求1-8任一项所述的基于多工况拓扑优化的变压器外壳设计方法制作而成的变压器外壳。
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