论文摘要
能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电清洁无污染,施工周期短,投资灵活,占地少,具有较好的经济效益和社会效益。随着风力发电机装机容量日益增大,机组所受的载荷情况也越来越复杂,从而使得风力机及其零部件的安全问题变得尤为突出。为了要确保风力机在其设计寿命内能够正常地运行,首先必须对风力发电机组的关键零部件展开设计研究。轮毂是风力发电机组中的一个重要部件,它形状复杂,轮毂设计的好坏将直接影响到整个机组的正常运行和使用寿命,因此有必要在极限载荷条件下对轮毂进行静态分析和疲劳计算,以确定整个轮毂的应力分布情况,从中找出最危险的部位,为轮毂设计提供可靠的依据。另外根据轮毂强度计算的余量,必要时对轮毂进行优化设计分析,以达到减轻重量,降低成本的目的。本文基于有限元法的基本理论,对轮毂进行了以下研究:①基于有限元法的建模理论,利用网格划分软件HyperMesh建立了两种轮毂有限元模型:一种是四面体单元模型,划分简单,可以使用有限元程序自动生成,故使用普遍;另一种是六面体单元模型,由于三维网格具有空间几何实体描述和三维网格的自动生成算法的复杂性,使得三维网格,尤其是六面体网格的划分,具有较大难度,一般只能靠工作人员手动生成。并对两种单元类型的模型进行了细致的分析比较。②对某型轮毂有限元模型进行极限强度、疲劳及接触有限元建模及分析校核计算,并对结果进行了分析,提出了优化设计意见。分析计算所得数据与企业随后的实验数据进行过对比,结果基本一致。从而验证了本文所研究方法的正确性,确保了轮毂具有足够的强度和使用寿命。③结合本文对某型轮毂的研究,采用相似原理和拓扑优化的方法,借助有限元软件Altair提供的OptiStruct模块开发出了新型轮毂的结构模型,本轮毂模型适用一般WM级大型风力发电机组。本文并对开发的轮毂进行了静应力校核,满足预期开发目标。因此,本论文对为大型风力发电机组轮毂的分析和自主设计提供科学可靠的依据,大大缩短了开发时间,节约了开发成本。对企业解决轮毂安全和寿命的问题具有重要的理论意义和工程实用价值,为开发具有自主知识产权的国产化风力发电机组奠定了坚实基础。
论文目录
摘要ABSTRACT1 绪论1.1 课题研究背景1.2 国内外技术现状综述1.2.1 国外技术现状1.2.2 国内技术现状1.3 论文研究的意义与目的1.3.1 论文研究的意义1.3.2 论文研究的目的1.4 论文的主要研究内容2 轮毂强度有限元模型的建立2.1 有限元在轮毂中的应用2.1.1 有限元法的基本概念2.1.2 有限单元方法处理问题的基本步骤2.1.3 风力发电机组中有限元法的应用2.2 轮毂几何模型的建立2.3 轮毂有限元网格的划分2.3.1 轮毂四面体网格的划分2.3.2 轮毂六面体网格的划分2.3.3 模型对比2.4 轮毂坐标系2.5 强度分析有限元模型的最终确立3 轮毂的静强度计算3.1 轮毂静强度分析的意义3.2 结构静力分析的有限单元法解题步骤3.3 轮毂静强度分析模型的建立3.3.1 载荷的安全系数3.3.2 载荷和边界条件3.4 轮毂的材料和单元属性3.4.1 材料的安全属性3.4.2 轮毂的材料性能3.5 静强度结果分析和后处理3.6 考虑缺陷的轮毂静强度分析3.6.1 缺陷分析轮毂的有限元模型的建立3.6.2 缺陷分析轮毂的计算结果3.7 本章小结4 轮毂的疲劳分析4.1 疲劳的基本概念4.2 疲劳计算名义应力法4.2.1 估算结构疲劳寿命的基本步骤4.3 疲劳损伤累积理论4.4 轮毂的疲劳分析4.4.1 轮毂疲劳强度分析4.4.2 疲劳强度载荷的应力分析4.4.3 轮毂疲劳分析的S-N 曲线和载荷谱4.5 轮毂疲劳计算结果分析4.6 本章小结5 轮毂接触有限元分析5.1 接触问题综述5.2 接触问题有限元解法5.2.1 弹塑性接触问题有限元解法5.2.2 非线性迭代的收敛判据5.3 Marc 接触算法的基本流程5.4 轮毂的接触模型5.5 边界和约束5.5.1 计算工况5.5.2 边界条件5.5.3 材料属性5.6 接触参数和工况步设定5.7 轮毂法兰螺栓接触的结果分析5.8 本章小结6 轮毂的拓扑优化设计6.1 优化设计概述6.2 轮毂优化设计的数学模型6.2.1 设计变量6.2.2 约束条件6.2.3 目标函数6.2.4 优化问题的数学模型6.3 拓扑优化6.3.1 拓扑优化简介6.3.2 拓扑优化的数学模型6.4 轮毂几何模型的建立6.4.1 基本假设6.4.2 轮毂有限元模型的建立6.5 拓扑优化结果分析6.6 本章小结7 结论与展望7.1 主要结论7.2 后续研究工作的展望致谢参考文献附录
相关论文文献
标签：风力发电机组论文; 有限元法论文; 静态分析论文; 拓扑优化论文;
