風電機組主機架結構優化研究

文 | 孫紅梅，韓雪，張明

風電機組主機架結構優化研究

文 | 孫紅梅，韓雪，張明

目前，風電產業作為綠色能源得到了飛速的發展。隨著風電裝機容量的不斷增大，受風電市場價格競爭日趨嚴峻、山地林地風電場增多等因素影響，降低成本成為可再生能源規模化發展的關鍵。風電機組大型結構開發的速度、性能的提升和成本的降低得到了越來越多的重視。我國風力發電整機制造業起步較晚，幾大風電機組廠家的大型風力發電設備均采用引進技術的方式生產，在消化和吸收外國技術的基礎上，需要大膽改進，對風電機組關鍵部件(如主機架)的結構優化是風電機組創新設計及降低成本的必經之路。因此，風電機組整機制造商對主機架等關鍵部件結構優化需求日趨增多。

本文對某MW級風電機組主機架進行結構優化研究，采用OptiStruct的形狀優化方法對該主機架結構改進設計，使用HyperMorph對優化區域預先設置形狀變化，然后建立形狀設計變量，定義優化的相關響應、約束和目標，從而進行形狀優化的求解。在結構性能不變或有所提升的前提下，達到減少重量、降低制造成本的目的。

主機架結構優化理論

目前對優化問題最常用的算法是數學規劃法，Altair公司有限元軟件Optistruct，采用凸規劃對偶法建立近似模型，并自動選擇近似方法進行優化模型的顯式近似，是當今較成熟也是應用比較廣泛的優化軟件。其近似方法包括：

基于有限元方法的優化問題，同時也需要有限元分析前處理、計算及后處理等過程，其中前處理不但需要建立有限元模型，還需要定義形狀優化問題，還可對優化變量進行敏度分析，以確定優化變量對結果的影響程度，從而有針對性的改進模型。結構優化流程如圖1，由于本次主機架的結構優化為減重設計，因此省略了概念設計階段。

主機架有限元模型的建立及初始模型強度分析

圖1 結構優化流程

一、主機架有限元模型的建立

在進行結構優化設計之前，首先建立幾何模型，采用HyperMesh建立主機架有限元網格模型。考慮到計算速度和時間的限制，為了同時滿足計算精度和計算速度的要求，在進行主機架的有限元建模之前對主機架幾何模型作合理的簡化，主要有：忽略各處過渡圓角，忽略主機架上所有的螺栓孔。這些假設都不會對主機架的重量及剛度產生大的影響，完全保證計算精度。并建立塔筒、偏航軸承假體，其中主機架和塔筒之間利用偏航軸承相連。采用HyperMesh中的三維實體單元Tretra對主機架進行網格劃分，利用六面體單位對塔筒和偏航系統進行網格劃分。采用多點約束單元（MPC單元）傳遞輪轂、發電機同主機架之間的作用力，采用MPC約束主機架的四個角以防止主機架旋轉，并利用GAP單位模擬軸承滾子，從而最大限度地模擬真實工況。主機架模型見圖2，風電機組結構及坐標系如圖3。

圖2 主機架有限元模型

圖3 風電機組結構及坐標系

表1 主機架各工況極限載荷

二、主機架載荷

在結構優化分析中，風電機組主機架的極限載荷是根據GL標準2010版指定的風速模型和機組工況，利用Bladed整機載荷仿真軟件計算得到。主機架靜態載荷采用的部分極限載荷數據見表1。主機架載荷按輪轂局部坐標系分別施加。

三、強度分析

結構優化變量定義需要根據初始狀態（載荷、強度）來進行判斷和定義，所以首先需根據輸入條件計算模型強度。某工況計算結果如圖4。

圖4 初始模型應力應變結果

四、初始計算結果

由上述分析可知，初始模型在該工況下的最大應力為72.89Mpa，遠小于材料屈服應力200Mpa，優化余量較充裕。

主機架結構優化

圖5 主機架減重優化設計變量

圖6 主機架壁厚優化變形圖

在實際風電機組上，主機架的周圍還安裝有其它的部件，所以不易對主機架的結構做大幅度的調整。OptiStruct軟件包含多種結構優化方法：拓撲優化、形狀優化、形貌優化、尺寸優化等。風電機組主機架為鑄造結構，具有典型的外形特征,為不改變原有的鑄造工藝，結合原有的裝配邊界條件，省去用以概念設計階段的拓撲優化，選擇形狀優化方法進行減重優化。優化的目標是在不改變主機架整體剛度的基礎上，使重量達到最小，從而達到降本增效的結果。

一、設計變量

根據初始模型分析結果，初步判斷模型設計的冗余和薄弱位置，基于Hypermesh中Hypermorph功能定義設計變量如下圖。設計變量的取值范圍根據優化的結果可適度調整，并須保證結構不發生干涉、外部結構裝配條件不變、網格不發生畸變。

二、優化目標

針對減重優化，可選取主機架體積或者質量作為目標，本文選取主機架體積為優化目標，將質量作為約束條件，即V→min。

三、約束條件

主機架形狀優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架和軸承、輪轂等連接結構的接口、模型的對稱性和鑄造厚度最大最小的要求，由定義形狀變量時約束。為使主機架達到足夠的強度，本文中性能約束條件為應力約束，Von Mises上限值為180MPa。質量上限值為8.73t,用以控制優化方向。

四、優化結果

OptiStruct具有全局優化功能，可以對不同的設計變量自動選擇不同的設計初值，進行全局優化，以避免只得到局部最優解。本文選取其中一組設計初值優化迭代的結果。圖6、圖7為對應的主機架壁厚變形云圖和主機架體積優化迭代曲線，從中可看出主機架腰部厚度優化靈敏度相對較大。

根據優化流程，選取同初始模型計算時相同的工況對優化得到的結果進行強度分析，得到的分析結果如下，其中最大應力79.39MPa（見圖8），最大應變1.795mm（見圖8）。優化可得到多組設計變量組合結果可滿足減重25%左右，本文選取其中一組設計變量用于后續的結果分析。模型在滿足約束條件的情況下，整體減重1.73 t，減重

24.7%，詳見表2和表3。

結論

（1）基于OptiStruct形狀優化功能，在不改變主機架原有的鑄造工藝、裝配邊界條件及整體剛度的基礎上，對主機架各設計變量進行靈敏度分析，優化減重，經優化后，主機架應力值和變形值不但滿足GL規范的設計要求，而且保留了足夠的安全系數，并大大減輕了主機架重量，降低了制造和運輸成本，使主機架在輕量化等方面得到了改進和提高。

（2）以滿足風電機組制造廠實際需求為前提，對風電機組主機架開展了結構優化，在風電機組關鍵部件結構優化設計方面做出一些探索性工作，并為企業提供關鍵部件結構優化設計思路和方法，對風電機組關鍵部件優化設計、降低成本有一定的指導參考意義。

圖7 體積變化曲線

圖8 優化結果應力應變云圖

表2 某陸地風電場不確定度折減及結果

表3 某陸地風電場不同概率下發電量估算值

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