大型风电机组轮毂的有限元分析及结构优化

【摘要】：随着风电机组装机容量的日益增大,其所受的载荷也越来越复杂,使得风机及其零部件的安全问题变得尤为突出。为确保风电机组在其设计寿命内能够正常地工作运转,应对风电机组的关键零部件进行设计研究和强度校核,并在此基础上对相应部件进行结构优化。 轮毂是风电机组中的重要组成部件之一,其结构相对复杂并且承载着多变的气动载荷。轮毂设计的好坏将直接影响整个机组的正常运行,然而利用经典力学却很难仿真它应力的大小及其分布,这给设计工作带来了诸多不便之处。因此,本文在轮毂应变和应力的分析中,引入了有限单元法,并借助有限元分析软件HyperMesh对SUT-3000风电机组轮毂模型进行较规则的六面体网格划分,并利用MSC.Patran/ Nastran作为有限元分析平台,对轮毂进行极限强度分析。最终确定了整个轮毂的应力分布状况,并得到较精准的轮毂应力和变形值及相关云图,进而更直观的找出轮毂受力最危险的部位,为轮毂提供可靠的设计依据。强度分析的结果表明：轮毂的最大应力值56.1 MPa小于许用应力,最大变形值为2.75mm,均满足设计需要。 在极限强度分析的基础上,对轮毂进行局部结构优化分析。基于优化软件给出的优化结果,并结合实际的设计经验,对SUT-3000轮毂重新建模和强度分析,其分析结果依然满足设计需要,达到了减轻自身重量,降低制造成本的目的。 本文为大功率风电机组轮毂的分析和自主设计提供了较为合理的科学依据,缩短了开发时间,节约了设计成本。对企业解决轮毂的安全问题具有重要的理论意义和工程价值,为开发具有自主知识产权的国产化风电机组奠定了坚实基础。 【关键词】：风电机组 轮毂 强度分析 优化设计 六面体网格
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究的背景及来源10-12
• 1.2 国内外风电机组的设计制造技术现状12-14
• 1.3 论文研究的意义与目的14-15
• 1.4 论文的研究内容及方法15-18
• 第二章 轮毂的有限元分析18-29
• 2.1 轮毂有限元分析中的基本方法18-23
• 2.2 有限元法的基本分析步骤23-25
• 2.3 有限元方法在轮毂设计与分析中的应用25-28
• 2.4 轮毂的有限元分析过程28-29
• 第三章 轮毂有限元分析模型的建立29-38
• 3.1 轮毂模型分析29
• 3.2 轮毂几何模型的建立29-30
• 3.3 轮毂有限元模型的网格划分30-32
• 3.3.1 有限元网格划分的基本原则30-31
• 3.3.2 轮毂六面体单元网格的划分31-32
• 3.4 模型单元特性对比32-34
• 3.5 轮毂四面体模型与六面体模型的划分比对34-38
• 第四章 轮毂的极限强度分析38-49
• 4.1 有限元法的静力分析38-39
• 4.2 轮毂的材料与载荷安全系数39-40
• 4.3 模型分析中的边界处理40-45
• 4.4 极限强度分析结果45-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第五章 轮毂的结构优化49-59
• 5.1 结构优化设计中的有限元方法49-50
• 5.2 轮毂结构优化的数学模型50-52
• 5.3 轮毂的结构优化52-56
• 5.4 优化后处理56-58
• 5.5 本章小结58-59
• 第六章 结论59-60
• 参考文献60-62
• 在学研究成果62-63
• 致谢63

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