風(fēng)力發(fā)電機鎖緊盤的優(yōu)化設(shè)計方法

王顏輝，穆宇亨

(1.山西能源學(xué)院 機電工程系，山西 晉中 030006；2.山西蒲縣蛤蟆溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200)

0 前言

在鎖緊盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計前，必須確定鎖緊盤各參數(shù)變化對其輸出性能的影響。因此，本文在CAE環(huán)境下，對鎖緊盤進(jìn)行參數(shù)化建模。

實際裝配中，鎖緊盤內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間存在過盈，為了參數(shù)管理方便，節(jié)省計算資源，參數(shù)化建模時內(nèi)環(huán)和外環(huán)設(shè)置一致。為了便于檢查樣板，將鎖緊盤錐角定義為常數(shù)2.58°。鎖緊盤設(shè)計的輸出參數(shù)是通過有限元接觸非線性計算得出的。在有限元分析的環(huán)境下，兩部件之間力的傳遞是通過設(shè)定接觸對來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)的接觸設(shè)定是在幾何導(dǎo)入時，裝配體中帶入這個接觸(建模時體現(xiàn)零件之間的間隙和過盈)。或者在幾何導(dǎo)入時，裝配體之間不體現(xiàn)間隙或過盈，而通過定義組件之間是何種配合關(guān)系體現(xiàn)，控制間隙還是過盈是通過設(shè)定接觸對中參數(shù)offset來實現(xiàn)的，offset為正值，表示定義接觸的兩零件之間存在過盈，offset為負(fù)值，則表示存在間隙。優(yōu)化的約束條件通過參數(shù)設(shè)定來實現(xiàn)。

(1)鎖緊盤外環(huán)最大等效應(yīng)力，該數(shù)值應(yīng)當(dāng)?shù)陀谕猸h(huán)材料的屈服強度，從而確保外環(huán)不會發(fā)生失效。

(2)鎖緊盤傳遞的扭矩值，該數(shù)值應(yīng)滿足風(fēng)力發(fā)電機工作所需扭矩。

(3)鎖緊盤軸向力，確保鎖緊盤在拆卸過程中可以彈出，不會發(fā)生自鎖現(xiàn)象。

(4)行星架最大等效應(yīng)力，確保行星架在鎖緊盤作用力下不會發(fā)生失效。

優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)為減輕鎖緊盤的重量。以上設(shè)計變量參數(shù)為12組，約束條件參數(shù)為4組，為多目標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計問題。通過參數(shù)化建模，可以對任意結(jié)構(gòu)形式的鎖緊盤進(jìn)行設(shè)計計算，提高了設(shè)計效率和可靠性。

1 鎖緊盤非線性接觸計算理論

鎖緊盤有限元分析計算屬于非線性計算的范疇。在接觸算法上，采用了增廣的拉格朗日法，該方法收斂性好，對接觸剛度不是很敏感，能夠保證計算的可靠性。為確保計算結(jié)果網(wǎng)格無關(guān)性，提升網(wǎng)格質(zhì)量，節(jié)省求解所需時間，在網(wǎng)格劃分處理上采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時設(shè)置適中的網(wǎng)格密度，既能滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求，同時確保計算的速度，在參數(shù)收集和響應(yīng)曲線建立上不會消耗過多的時間。圖1為優(yōu)化設(shè)計的有限元模型。圖2為鎖緊盤外環(huán)等效應(yīng)力云圖，應(yīng)保證該參數(shù)低于鎖緊盤外環(huán)材料的屈服強度850 MPa。圖3為行星架等效應(yīng)力云圖，應(yīng)保證該參數(shù)低于行星架材料的屈服強度380 MPa。圖4為鎖緊盤裝配位置上，主軸上接觸應(yīng)力分布云圖，主軸上接觸應(yīng)力能夠反應(yīng)出鎖緊盤傳遞扭矩數(shù)值，應(yīng)保證傳遞扭矩不低于4 760 kN·m。由于傳遞扭矩是通過后處理積分運算獲得，可以將扭矩數(shù)值和最大接觸應(yīng)力相關(guān)聯(lián)，為了保證傳遞扭矩，最大接觸應(yīng)力必須高于一定數(shù)值。

圖1 優(yōu)化設(shè)計有限元模型

圖2 外環(huán)等效應(yīng)力云圖

圖3 行星架等效應(yīng)力云圖

圖4 主軸接觸應(yīng)力分布云圖

2 響應(yīng)曲線、曲面、靈敏度的繪制

在進(jìn)行響應(yīng)曲面圖繪制之前可以將輸入?yún)?shù)進(jìn)行收集，通過Workbench參數(shù)收集模塊計算完成參數(shù)的相關(guān)矩陣圖，如圖5所示，該矩陣對角線數(shù)值為1，數(shù)值絕對值越接近1表示參數(shù)之間相關(guān)度越高，相反則表示兩參數(shù)之間相關(guān)度低。通過相關(guān)矩陣圖可以很清楚的得知參數(shù)之間的相關(guān)性。

圖5 相關(guān)矩陣圖

圖6為輸入?yún)?shù)對輸出參數(shù)的靈敏度響應(yīng)柱狀圖，從圖中可以清晰地看出每個輸入?yún)?shù)變化對輸出參數(shù)的影響程度，可以選出靈敏度高的參數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)，提升優(yōu)化目標(biāo)搜索的效率。

圖6 靈敏度響應(yīng)柱狀圖

做響應(yīng)曲面的參數(shù)有：P5：鎖緊盤短錐高度，參數(shù)變化區(qū)間為50～70；P9：鎖緊盤總高度，參數(shù)變化區(qū)間為280～320；P10：鎖緊盤外環(huán)外圓半徑，參數(shù)變化區(qū)間為540～580；P11：鎖緊盤內(nèi)環(huán)長錐最薄處壁厚，參數(shù)變化區(qū)間為5～15；P12：鎖緊盤內(nèi)、外環(huán)短錐面之間的過盈量，參數(shù)變化區(qū)間為0.5～1.2；P13：鎖緊盤內(nèi)、外環(huán)長錐面之間的過盈量，參數(shù)變化區(qū)間為1.2～1.6。

通過響應(yīng)曲面(線)可以直觀地看出輸入?yún)?shù)和建立的約束條件的關(guān)系，從而更加深入的了解設(shè)計中各參數(shù)的作用。

圖7為鎖緊盤短錐高度和約束條件的關(guān)系曲線，從曲線中可以得出參數(shù)變化對約束條件的影響。

圖7 短錐高度對約束條件的影響曲線

其中，P15為鎖緊盤外環(huán)長錐面最大等效應(yīng)力；P16為行星架最大等效應(yīng)力；P17為鎖緊盤主軸最大接觸應(yīng)力的搜尋路徑；P18為計算所得鎖緊盤軸向反作用力。

圖8～圖12分別為XYPlane.H29(鎖緊盤總高度)、XYPlane.V30(鎖緊盤外環(huán)外圓半徑)、bihou(鎖緊盤內(nèi)環(huán)壁厚)、P12(鎖緊盤短錐面過盈)和約束條件參數(shù)的關(guān)系曲線。完成設(shè)計參數(shù)響應(yīng)曲線建立之后，可以根據(jù)各響應(yīng)曲線之間的關(guān)系繪制響應(yīng)曲面，優(yōu)化分析模塊可以根據(jù)響應(yīng)曲面來搜尋得出最佳的優(yōu)化數(shù)值。

圖8 總高度對約束條件的影響曲線

圖9 鎖緊盤外環(huán)外圓半徑對約束條件的影響曲線

圖10 鎖緊盤內(nèi)環(huán)壁厚對約束條件的影響曲線

圖11 鎖緊盤短錐面過盈對約束條件的影響曲線

圖12 鎖緊盤長錐面過盈對約束條件的影響曲線

3 鎖緊盤的優(yōu)化設(shè)計

響應(yīng)曲面建立之后，對鎖緊盤參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以2.5 MW功率風(fēng)機的φ720鎖緊盤為優(yōu)化目標(biāo)，該鎖緊盤初始設(shè)計要求傳遞扭矩為5 800 kN·m，后因改主軸內(nèi)孔要求傳遞扭矩降低為4 600 kN·m，存在較大的優(yōu)化空間。

為了確保行星架強度能滿足要求，P16參數(shù)的最大等效應(yīng)力值應(yīng)低于其屈服強度340 MPa。P15為鎖緊盤外環(huán)長錐面最大等效應(yīng)力，并且在優(yōu)化搜尋目標(biāo)時該數(shù)值應(yīng)盡可能小。P18數(shù)值應(yīng)當(dāng)為負(fù)值，這樣在鎖緊盤拆卸過程中內(nèi)環(huán)可以自動彈出，考慮到仿真中內(nèi)、外環(huán)錐面間摩擦系數(shù)受潤滑脂MoS2的影響，確保軸向反力低于-2 000 N。P17為鎖緊盤對主軸接觸應(yīng)力的最大值，為確保傳遞扭矩的要求，其值應(yīng)不低于185 MPa。圖13為參數(shù)P16的搜尋路徑，可以看出所有的設(shè)計點都能夠滿足該約束條件。圖14為參數(shù)P15的搜尋路徑，可見有部分設(shè)計點能夠滿足約束條件的要求。圖15為參數(shù)P18的搜尋路徑，可見大部分設(shè)計點能夠滿足約束條件的要求。圖16為參數(shù)P17的搜尋路徑，可以看出部分設(shè)計點能夠滿足約束條件的要求。圖17為多目標(biāo)優(yōu)化路徑優(yōu)化搜尋樣本圖，每一條折線代表著滿足約束條件下的目標(biāo)搜尋方案。

圖13 P16約束條件搜尋路徑

圖14 長錐等效應(yīng)力搜尋路徑

圖15 軸向力搜尋路徑

圖16 主軸最大接觸應(yīng)力搜索路徑

圖17 搜索樣本圖

優(yōu)化計算后給出三組最佳參數(shù)數(shù)值，通過比較選擇第三組方案為最佳方案。圖18為優(yōu)化后和優(yōu)化前的一些結(jié)果對比，優(yōu)化后鎖緊盤重量降低為優(yōu)化前的81%。

4 結(jié)束語

本研究完成了鎖緊盤結(jié)構(gòu)和與其配合的行星架和風(fēng)機主軸接口處的全參數(shù)化建模，在開發(fā)新類型鎖緊盤時，可以通過控制參數(shù)驅(qū)動生產(chǎn)新模型進(jìn)行計算，得出滿足相關(guān)參數(shù)要求的鎖緊盤設(shè)計方案。在參數(shù)化建模時，引入了控制網(wǎng)格質(zhì)量的參數(shù)和幾何分割技術(shù)，使重新生成的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，確保了每次的計算都能保證精度要求。同時應(yīng)用了接觸自動檢測技術(shù)，每次生成模型的接觸非線性關(guān)系無需重新去定義。避免了初始設(shè)計-計算-修改設(shè)計-計算的循環(huán)流程，減少了重復(fù)出圖的時間。多目標(biāo)優(yōu)化分析算法可以描述鎖緊盤各參數(shù)對其輸出性能的定量影響程度，使設(shè)計技術(shù)人員對鎖緊盤結(jié)構(gòu)設(shè)計有了更深入的了解，提升產(chǎn)品可靠性。