周興，李正霞

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

自頂向下設(shè)計(jì)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周興，李正霞

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)周期短、設(shè)計(jì)質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，文章將自頂向下的設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。該方法通過(guò)定義設(shè)計(jì)意圖、建立骨架模型、共享數(shù)據(jù)和參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)產(chǎn)品各部分的并行設(shè)計(jì)，并有效提高了產(chǎn)品的可修改性。實(shí)驗(yàn)證明該方法縮短設(shè)計(jì)周期30%以上。

自頂向下，骨架模型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

0 引言

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的引進(jìn)以及多年來(lái)的消化吸收，國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)能力，然而激烈競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)機(jī)市場(chǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)的個(gè)性化需求也越來(lái)越高，因此縮短新機(jī)型的研發(fā)周期，提高機(jī)組的設(shè)計(jì)質(zhì)量已經(jīng)成為亟需解決的問(wèn)題之一。而自頂向下的設(shè)計(jì)方法已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)床等復(fù)雜機(jī)械的設(shè)計(jì)[1]，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率。因此，本文將該方法應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠有效提高風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期30%以上。

1 模型規(guī)劃

自頂向下設(shè)計(jì)通過(guò)最頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)規(guī)范傳遞到所有相關(guān)的局部組裝中，并可以在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，掌控模型相關(guān)性與衍生的改變，有效地管理外部參照。由于它是針對(duì)產(chǎn)品本身，而不是產(chǎn)品的某個(gè)零部件，因此自頂向下設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，就要充分考慮到所有零件的外觀、大小、位置和零件間的配合關(guān)系，根據(jù)其特點(diǎn)定義好設(shè)計(jì)意圖、規(guī)劃好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法、主控參數(shù)和因果參數(shù)等，并在設(shè)計(jì)周期允許的情況下，盡可能多地考慮到未來(lái)的設(shè)計(jì)變更。這樣，在模型優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可有效提高模型的可修改性，節(jié)省大量時(shí)間，從而在復(fù)雜的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，將設(shè)計(jì)效率大大提高。下面以3 MW海上風(fēng)機(jī)的塔筒改進(jìn)設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)稱FD119B塔筒設(shè)計(jì)）為例，闡述模型的規(guī)劃過(guò)程。

1.1 定義設(shè)計(jì)意圖[2]

在建模之前，必須深入研究項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)周期以及產(chǎn)品的使用環(huán)境、需要實(shí)現(xiàn)的功能。從而定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范，并在布局文件中繪制粗略的2D草圖。FD119B塔筒改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，機(jī)組為FD115C的改造項(xiàng)目要求安裝在潮間帶，受海上鹽霧和天氣的影響，變壓器、中壓開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜等柜體需要安裝在塔筒內(nèi)，而變頻器散熱器、變壓器散熱器以及新增的鹽霧過(guò)濾器需要安裝在不被海水飛濺的塔筒外側(cè)[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在布局文件中繪制粗略的2D草圖，如圖1所示，參數(shù)如表1所示。

圖1 FD119B塔筒布局文件

表1 FD119B主控參數(shù)表

其中，F(xiàn)D119B新增塔筒過(guò)渡段用于放置主變壓器和中壓開(kāi)關(guān)柜，其高度L0取決于主變壓器的安裝高度和自身的外形尺寸；L1高度取決于主變壓器下部電纜的最小彎曲半徑和自身的維護(hù)要求；由于該項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，第五段塔筒已完成生產(chǎn)，其長(zhǎng)度保持不變，L2、L3、L4的高度需綜合考慮各平臺(tái)柜體的外形尺寸、安裝維護(hù)要求等因素后，方可確定。

1.2 建立骨架模型[3]

骨架模型是一個(gè)3D參數(shù)化布局，用來(lái)為組裝擷取重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)意圖，主要通過(guò)基準(zhǔn)特征（如基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)面、坐標(biāo)系）、曲面、曲線將設(shè)計(jì)意圖在整個(gè)設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確地傳遞，保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。圖2為FD119B塔筒設(shè)計(jì)最頂層的骨架模型，它包括了整個(gè)設(shè)計(jì)中產(chǎn)品級(jí)的主控參數(shù)及其子組件裝配所需的基準(zhǔn)面，如塔筒中心線、地基面、門(mén)框中心面等。

圖2FD119B塔筒設(shè)計(jì)的骨架模型

圖3 為FD119B塔筒的子組件——外圍平臺(tái)的骨架模型，該骨架既包括從塔筒傳遞過(guò)來(lái)的設(shè)計(jì)意圖——外部復(fù)制幾何，又包括組件內(nèi)需要傳遞的設(shè)計(jì)信息——各基準(zhǔn)面、曲線等。因此，在骨架建立過(guò)程必須理清主控參數(shù)控制范圍，這有利于建立精簡(jiǎn)有效的骨架模型，讓每一個(gè)設(shè)計(jì)者都能迅速讀懂模型的設(shè)計(jì)意圖。

圖3 FD119B外圍平臺(tái)的骨架模型

2 共享數(shù)據(jù)

共享數(shù)據(jù)主要包括輸入特征、發(fā)布幾何、復(fù)制幾何和收縮包絡(luò)。共享數(shù)據(jù)可以將風(fēng)機(jī)各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)化的分割，讓不同的設(shè)計(jì)人員同時(shí)獲得所負(fù)責(zé)部件的設(shè)計(jì)信息，并行完成風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。以外圍平臺(tái)的設(shè)計(jì)為例，外圍平臺(tái)的設(shè)計(jì)只與第五段塔筒筒體及門(mén)框的位置有關(guān)，因此只需要向外圍平臺(tái)設(shè)計(jì)人員共享如圖4所示的數(shù)據(jù)即可。通過(guò)此類方法，分別向設(shè)計(jì)人員共享變壓器支架、入門(mén)平臺(tái)、變頻器安裝平臺(tái)、塔筒螺栓維護(hù)平臺(tái)所需的數(shù)據(jù)，就可完成各大部件的并行設(shè)計(jì)。

圖4 外圍平臺(tái)的共享數(shù)據(jù)

3 參數(shù)化建模

設(shè)計(jì)人員接收到共享數(shù)據(jù)后，開(kāi)始對(duì)所負(fù)責(zé)的零部件進(jìn)行建模，建模前要充分理解零部件的特點(diǎn)，對(duì)零部件進(jìn)行形體分析，以確定設(shè)計(jì)變量和建模策略，然后進(jìn)行參數(shù)化建模。

3.1 合理劃分部套

在復(fù)雜的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，每一個(gè)設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的子組件也是比較復(fù)雜的。以FD119B外圍平臺(tái)的設(shè)計(jì)為例，外圍平臺(tái)還需要進(jìn)一步劃分為以下幾個(gè)部分：左部支架、中部支架、右部支架、護(hù)欄、斜撐、柵格板等。正確劃分部套能夠讓設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路更加清晰，并大大減少后期投影工程圖紙的工作量。

3.2 創(chuàng)建參數(shù)化模型[4]

創(chuàng)建參數(shù)化模型最重要的途徑之一就是建立參數(shù)化的草圖，主要包含以下幾個(gè)方面[5]：

（1）合理、清晰地規(guī)劃零部件的草圖結(jié)構(gòu)，以能夠完整地表達(dá)該零部件的設(shè)計(jì)意圖。每個(gè)草圖要盡可能簡(jiǎn)單，要將復(fù)雜的草圖分解為簡(jiǎn)單的草圖以便于約束和修改。同時(shí)要利用約束建立各個(gè)草圖之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以使控制參數(shù)變更時(shí)，草圖之間的位置關(guān)系不會(huì)錯(cuò)位。

（2）合理繪制草圖。對(duì)于比較復(fù)雜的草圖，最好避免一次繪制完所有的曲線，然后再加約束，這容易出現(xiàn)約束沖突，從而增加建立全約束的難度。一般要按設(shè)計(jì)意圖建立曲線，并且每建立一條或幾條曲線，要隨之建立相應(yīng)的約束條件，修改尺寸約束到設(shè)計(jì)意圖值。這樣可以減少草圖曲線過(guò)約束、欠約束、約束矛盾發(fā)生的可能性。

（3）合理建立約束條件。將草圖通過(guò)幾何約束如固定、共線等定位到基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面；盡可能多地使用幾何約束，只有表達(dá)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制參數(shù)才用尺寸約束，這樣可以減少參數(shù)的數(shù)量。

（4）在建立草圖時(shí)要隨時(shí)關(guān)注草圖的約束狀態(tài)。為了達(dá)到變型設(shè)計(jì)的要求，最好使草圖能夠完全約束，這樣可以減少出錯(cuò)的可能。

4 組裝

通過(guò)自頂向下方法設(shè)計(jì)完成的模型，只需要采用缺省的方式即可完成裝配，非常方便，圖5為塔筒改造后的實(shí)例。該模型可控性非常好，在設(shè)計(jì)的任何階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，都可以通過(guò)調(diào)整表1中產(chǎn)品級(jí)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改，并發(fā)布最新的共享數(shù)據(jù)，無(wú)需每個(gè)設(shè)計(jì)者都關(guān)心整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，大大提高了工作效率。

Application of Top-down Method in Large-scale Wind Turbine Design

Zhou Xing，Li Zhengxia
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Based on the short cycle and the high design quality characteristic of wind turbine research and development,the topdown design method is applied to the design of large-scale wind turbine.The method implements concurrent design of the product by defining the design intent,setting up the skeleton model,sharing data and parameterizing modeling,then effectively improves the modifiability of products.Experiments prove that the method shortens the design cycle for about 30%.

top-down,skeleton model,wind turbine design

TP241

A

1674-9987（2015）04-0061-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.013

周興(1985-)，男，助理工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。