文 | 孫紅梅，韓雪，張明

風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

文 | 孫紅梅，韓雪，張明

目前，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)作為綠色能源得到了飛速的發(fā)展。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增大，受風(fēng)電市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日趨嚴(yán)峻、山地林地風(fēng)電場(chǎng)增多等因素影響，降低成本成為可再生能源規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵。風(fēng)電機(jī)組大型結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的速度、性能的提升和成本的降低得到了越來(lái)越多的重視。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電整機(jī)制造業(yè)起步較晚，幾大風(fēng)電機(jī)組廠(chǎng)家的大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備均采用引進(jìn)技術(shù)的方式生產(chǎn)，在消化和吸收外國(guó)技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要大膽改進(jìn)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件(如主機(jī)架)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是風(fēng)電機(jī)組創(chuàng)新設(shè)計(jì)及降低成本的必經(jīng)之路。因此，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)制造商對(duì)主機(jī)架等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求日趨增多。

本文對(duì)某MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，采用OptiStruct的形狀優(yōu)化方法對(duì)該主機(jī)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使用HyperMorph對(duì)優(yōu)化區(qū)域預(yù)先設(shè)置形狀變化，然后建立形狀設(shè)計(jì)變量，定義優(yōu)化的相關(guān)響應(yīng)、約束和目標(biāo)，從而進(jìn)行形狀優(yōu)化的求解。在結(jié)構(gòu)性能不變或有所提升的前提下，達(dá)到減少重量、降低制造成本的目的。

主機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論

目前對(duì)優(yōu)化問(wèn)題最常用的算法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法，Altair公司有限元軟件Optistruct，采用凸規(guī)劃對(duì)偶法建立近似模型，并自動(dòng)選擇近似方法進(jìn)行優(yōu)化模型的顯式近似，是當(dāng)今較成熟也是應(yīng)用比較廣泛的優(yōu)化軟件。其近似方法包括：

基于有限元方法的優(yōu)化問(wèn)題，同時(shí)也需要有限元分析前處理、計(jì)算及后處理等過(guò)程，其中前處理不但需要建立有限元模型，還需要定義形狀優(yōu)化問(wèn)題，還可對(duì)優(yōu)化變量進(jìn)行敏度分析，以確定優(yōu)化變量對(duì)結(jié)果的影響程度，從而有針對(duì)性的改進(jìn)模型。結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程如圖1，由于本次主機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為減重設(shè)計(jì)，因此省略了概念設(shè)計(jì)階段。

主機(jī)架有限元模型的建立及初始模型強(qiáng)度分析

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程

一、主機(jī)架有限元模型的建立

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，首先建立幾何模型，采用HyperMesh建立主機(jī)架有限元網(wǎng)格模型。考慮到計(jì)算速度和時(shí)間的限制，為了同時(shí)滿(mǎn)足計(jì)算精度和計(jì)算速度的要求，在進(jìn)行主機(jī)架的有限元建模之前對(duì)主機(jī)架幾何模型作合理的簡(jiǎn)化，主要有：忽略各處過(guò)渡圓角，忽略主機(jī)架上所有的螺栓孔。這些假設(shè)都不會(huì)對(duì)主機(jī)架的重量及剛度產(chǎn)生大的影響，完全保證計(jì)算精度。并建立塔筒、偏航軸承假體，其中主機(jī)架和塔筒之間利用偏航軸承相連。采用HyperMesh中的三維實(shí)體單元Tretra對(duì)主機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用六面體單位對(duì)塔筒和偏航系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用多點(diǎn)約束單元（MPC單元）傳遞輪轂、發(fā)電機(jī)同主機(jī)架之間的作用力，采用MPC約束主機(jī)架的四個(gè)角以防止主機(jī)架旋轉(zhuǎn)，并利用GAP單位模擬軸承滾子，從而最大限度地模擬真實(shí)工況。主機(jī)架模型見(jiàn)圖2，風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系如圖3。

圖2 主機(jī)架有限元模型

圖3 風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系

表1 主機(jī)架各工況極限載荷

二、主機(jī)架載荷

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中，風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架的極限載荷是根據(jù)GL標(biāo)準(zhǔn)2010版指定的風(fēng)速模型和機(jī)組工況，利用Bladed整機(jī)載荷仿真軟件計(jì)算得到。主機(jī)架靜態(tài)載荷采用的部分極限載荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。主機(jī)架載荷按輪轂局部坐標(biāo)系分別施加。

三、強(qiáng)度分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量定義需要根據(jù)初始狀態(tài)（載荷、強(qiáng)度）來(lái)進(jìn)行判斷和定義，所以首先需根據(jù)輸入條件計(jì)算模型強(qiáng)度。某工況計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 初始模型應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

四、初始計(jì)算結(jié)果

由上述分析可知，初始模型在該工況下的最大應(yīng)力為72.89Mpa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力200Mpa，優(yōu)化余量較充裕。

主機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5 主機(jī)架減重優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

圖6 主機(jī)架壁厚優(yōu)化變形圖

在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組上，主機(jī)架的周?chē)€安裝有其它的部件，所以不易對(duì)主機(jī)架的結(jié)構(gòu)做大幅度的調(diào)整。OptiStruct軟件包含多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法：拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等。風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架為鑄造結(jié)構(gòu)，具有典型的外形特征,為不改變?cè)械蔫T造工藝，結(jié)合原有的裝配邊界條件，省去用以概念設(shè)計(jì)階段的拓?fù)鋬?yōu)化，選擇形狀優(yōu)化方法進(jìn)行減重優(yōu)化。優(yōu)化的目標(biāo)是在不改變主機(jī)架整體剛度的基礎(chǔ)上，使重量達(dá)到最小，從而達(dá)到降本增效的結(jié)果。

一、設(shè)計(jì)變量

根據(jù)初始模型分析結(jié)果，初步判斷模型設(shè)計(jì)的冗余和薄弱位置，基于Hypermesh中Hypermorph功能定義設(shè)計(jì)變量如下圖。設(shè)計(jì)變量的取值范圍根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果可適度調(diào)整，并須保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生干涉、外部結(jié)構(gòu)裝配條件不變、網(wǎng)格不發(fā)生畸變。

二、優(yōu)化目標(biāo)

針對(duì)減重優(yōu)化，可選取主機(jī)架體積或者質(zhì)量作為目標(biāo)，本文選取主機(jī)架體積為優(yōu)化目標(biāo)，將質(zhì)量作為約束條件，即V→min。

三、約束條件

主機(jī)架形狀優(yōu)化的約束條件包含工藝約束和性能約束。工藝約束條件如主機(jī)架和軸承、輪轂等連接結(jié)構(gòu)的接口、模型的對(duì)稱(chēng)性和鑄造厚度最大最小的要求，由定義形狀變量時(shí)約束。為使主機(jī)架達(dá)到足夠的強(qiáng)度，本文中性能約束條件為應(yīng)力約束，Von Mises上限值為180MPa。質(zhì)量上限值為8.73t,用以控制優(yōu)化方向。

四、優(yōu)化結(jié)果

OptiStruct具有全局優(yōu)化功能，可以對(duì)不同的設(shè)計(jì)變量自動(dòng)選擇不同的設(shè)計(jì)初值，進(jìn)行全局優(yōu)化，以避免只得到局部最優(yōu)解。本文選取其中一組設(shè)計(jì)初值優(yōu)化迭代的結(jié)果。圖6、圖7為對(duì)應(yīng)的主機(jī)架壁厚變形云圖和主機(jī)架體積優(yōu)化迭代曲線(xiàn)，從中可看出主機(jī)架腰部厚度優(yōu)化靈敏度相對(duì)較大。

根據(jù)優(yōu)化流程，選取同初始模型計(jì)算時(shí)相同的工況對(duì)優(yōu)化得到的結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到的分析結(jié)果如下，其中最大應(yīng)力79.39MPa（見(jiàn)圖8），最大應(yīng)變1.795mm（見(jiàn)圖8）。優(yōu)化可得到多組設(shè)計(jì)變量組合結(jié)果可滿(mǎn)足減重25%左右，本文選取其中一組設(shè)計(jì)變量用于后續(xù)的結(jié)果分析。模型在滿(mǎn)足約束條件的情況下，整體減重1.73 t，減重

24.7%，詳見(jiàn)表2和表3。

結(jié)論

（1）基于OptiStruct形狀優(yōu)化功能，在不改變主機(jī)架原有的鑄造工藝、裝配邊界條件及整體剛度的基礎(chǔ)上，對(duì)主機(jī)架各設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析，優(yōu)化減重，經(jīng)優(yōu)化后，主機(jī)架應(yīng)力值和變形值不但滿(mǎn)足GL規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，而且保留了足夠的安全系數(shù)，并大大減輕了主機(jī)架重量，降低了制造和運(yùn)輸成本，使主機(jī)架在輕量化等方面得到了改進(jìn)和提高。

（2）以滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組制造廠(chǎng)實(shí)際需求為前提，對(duì)風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架開(kāi)展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做出一些探索性工作，并為企業(yè)提供關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和方法，對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本有一定的指導(dǎo)參考意義。

圖7 體積變化曲線(xiàn)

圖8 優(yōu)化結(jié)果應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

表2 某陸地風(fēng)電場(chǎng)不確定度折減及結(jié)果

表3 某陸地風(fēng)電場(chǎng)不同概率下發(fā)電量估算值

(作者單位：孫紅梅：北京電子科技職業(yè)學(xué)院；韓雪、張明：北京京城新能源有限公司)