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基于Isight的风力发电机主轴参数优化研究

Thestudyofparameteroptimizationformain-shafton

windpowerbasedonisight

钟杰吕杏梅巫发明

中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，湖南株洲，412001

在风电大叶片的发展趋势下，载荷不断增加给结构平台强度带来了很大挑战，再加上

竞价上网等成本因素限制，风电机组结构轻量化、精细化设计是当前发展方向。主轴是风电

机组关键承载部件，由于受载复杂且载荷大，主轴设计不仅影响自身成本高低，而且还决定

与之配合的轴承成本；常规手动优化设计时由于几何变量比较多，且网格数量大，一次求解

计算需要消耗大量的时间，设计方案很难达到最佳。目前公开的资料中虽然参数优化文献比

较多，但大多是单一的主轴优化，即在优化过程中没有考虑轴承等周边结构的边界影响，而

[1][2]

且由于优化对象计算量相对较小，借助试验设计以及近似模型方法的研究也非常少。

本文基于Isight多学科目标优化平台进行主轴优化方法研究，实现三维建模、ABAQUS

静强度和FE-safe疲劳强度参数化集成仿真，选取主轴关键结构尺寸为设计变量，以主轴的

质量最轻为优化目标，基于主传动链系统有限元模型进行试验设计、参数灵敏度分析及参数

优化，获得最优结构参数，并通过灵敏度分析探索设计变量空间，提出了一种基于结构等应

力设计确定变量上下限的方法，这种数据流的结构优化设计是一种精细设计的方法，能高效

[3]

优化模型至精细结构，从而缩短结构设计正向开发的时间。

主轴有限元优化模型研究

由于与主轴配合的主轴承为调心滚子轴承，只传递力、不传递弯矩，且存在很强的结构

非线性，因此主轴的有限元优化模型必须进行系统考虑，才能逼近真实受力，保证优化迭代

的准确性。本次优化建立的主轴优化有限元模型如图1所示，模型中充分考虑载荷的传递路

[4]

径和非线性边界条件，建立了轴承、轮毂及风轮锁等主轴周边结构模型，在优化迭代计算

中，冻结该周边结构网格，通过APDL语言自动划分主轴网格、定义主轴与周边结构的接触

边界。

图1主轴优化FEA模型

优化模型建立

一、优化变量分析

主轴的设计尺寸图如图2所示，主轴设计关键尺寸：轴向尺寸L1～L6，直径方向尺寸

D1～D6，过渡圆弧尺寸R1～R4。其中轴向尺寸和直径方向尺寸影响到主传动系统参数，在

平台产品中，这些参数为固定值；由主轴的有限元强度计算可知，危险热点主要集中在截面

变化处，如图2中①②③④等位置，故选择四个过渡圆弧半径作为优化变量。

T

优化变量X=[R1R2R3R4]，变量圆弧半径的初始取值区间：R1在[200320]mm，R2

在[60140]mm，R3在[400800]mm，R4在[200400]mm之间，变量取值圆整为5的整数倍，

后面需根据灵敏度分析结果，进一步深度探索变量取值空间。

②

①

③

④

图2主轴设计尺寸图

二、约束条件

状态变量为主轴FEA响应变量，即最大合成应力（Mises应力），主轴极限载荷工况最

大Mises应力不超过材料的许用应力445MPa。极限载荷选取Myz_max工况，根据经验该工

况下主轴应力最大，表1为载荷工况值。

约束条件Mises(X)445MPa。