摘 要

增速箱是大型风力发电机的一个重要部件，需要用实验台对增速箱的各项性能进行试验。本文的研究对象为增速箱实验台的支架，对支架进行结构优化设计和分析。本文对支架进行了结构设计和仿真分析，主要研究内容包括：

首先，在充分了解相关支架设计发展的基础上，通过对支架实际工况和设计需求进行分析，提出大型风电增速箱实验台支架的整体结构设计；

其次，在支架的整体外形和结构设计的基础上，本文提出了支架的整体设计方案，在三维软件SolidWorks中建立支架的三维模型 。将支架的三维模型导入到有限元分析软件ANSYS workbench中，对支架进行静，动态分析，谐响应分析。找到支架结构上的薄弱点，为后续的优化设计提供方向。

最后，应用ANSYS workbench中的拓扑优化模块对支架进行优化设计，结合有限元仿真计算结果，对支架进行优化，在确保支架静、动刚度，强度将优化后，尽量减少支架材料的使用量。将优化后支架与优化前支架的各项性能参数进行对比分析，确保优化为正优化。

关键词：支架，有限元，仿真计算，拓扑优化

ABSTRACT

The speed-increasing box is an important part of a large-scale wind turbine, and it is necessary to test the performance of the speed-increasing box with a test bench. The research object of this paper is the support of the speed increase box test bench, and the structural optimization design of the support. In this paper, the structural design and simulation analysis of the stent are carried out. The main research contents include:

Firstly, on the basis of fully understanding the development of the relevant bracket design, through the analysis of the actual working conditions and design requirements of the bracket, the overall structural design of the large wind power speed increasing box experimental bench bracket is proposed.

Secondly, based on the overall shape and structural design of the bracket, this paper proposes the overall design of the bracket. In the 3D software SolidWorks, the 3D model of the bracket is established. The three-dimensional model of the stent was introduced into the finite element analysis software ANSYS workbench, and the stent was subjected to static, dynamic analysis and harmonic response analysis. Find weak points on the structure of the bracket to provide direction for subsequent optimization.

Finally, the topology optimization module in ANSYS workbench is used to optimize the design of the bracket. Combined with the finite element simulation calculation results, the bracket is optimized, and the performance parameters of the bracket and the optimized front bracket are optimized after ensuring the static and dynamic stiffness of the bracket. Conduct a comparative analysis to ensure that the optimization is positive.

KEY WORDS: bracket, Finite element, Simulation calculation, Topology optimization

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2国内支架优化研究现状 2

1.3拓扑优化结构设计研究现状 2

1.4论文的研究内容 3

第二章 大型风电增速箱实验台支架总体方案设计 5

2.1大型风电增速箱实验台简介 5

2.1.1大型风电实验台简介 5

2.1.2支架的性能指标 5

2.2支架设计需求分析 5

2.2.1设计要求 6

2.3总体方案设计 6

2.3.1支架结构设计 6

2.3.2锁紧部位选择 10

2.3.3 支架导轨选择 10

2.3.4传动部件的选择 11

2.3.5压板面的选择 11

2.4本章小结 12

第三章 实验台支架有限元仿真分析 13

3.1支架结构特点介绍 13

3.2大型风电增速箱支架有限元分析模型的建立 13

3.2.1有限元分析基础 13

3.2.2实体模型的建立 13

3.2.3材料的选择 14

3.2.4网格划分 15

3.2.5施加载荷和约束 16

3.2.6仿真结果分析 18

3.3支架模态分析 20

3.3.1模态分析步骤 20

3.3.2模态分析结果与分析 20

3.3.3模态结果分析 22

3.4支架谐响应分析 23

3.5支架安全系数计算 26

3.6本章小结 26

第四章 支架拓扑优化设计 28

4.1引言 28

4.2拓扑优化概述 28

4.3支架拓扑优化设定 29

4.3.1拓扑优化计算及结果 29

4.3.2拓扑优化结果分析 31

4.3.3支架结构优化 31

4.4支架优化前后性能分析对比 31

4.4.1优化前后支架静力学分析对比结果 32

4.4.2优化前后支架模态分析对比结果 34

4.5本章小结 35

第五章成本及经济效益分析 36

第六章本文总结以及工作展望 37

6.1本文总结 37

6.2工作展望 37

参考文献 39

致谢 41

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

风能作为一种可以被重复利用的清洁能源，在公元前就已经有人进行开发利用。如著名的荷兰风车将风能转化为动能带动石磨工作从而研磨粮食。但是由于风能随机且不可控的特点，风能大规模的开发需要极高的技术支持。开发风能的技术在长时间内发展缓慢，风能在长久以来都没有能够引起人们足够的关注。

随着我国经济的大规模发展，工业的能源消耗也急剧上升，但是传统的不可再生能源的储量是有限的，长时间过度消耗，必然会引发能源危机。传统能源的过度消耗使得我国的环境污染日益严重，发展清洁能源成为我国的一个必然选择。风能作为一种绿色、清洁、无污染的可再生能源在我国当前严峻的能源危机和严重的环境问题下，受到了国家的极度重视^[1]。我国风能分布广泛，风能开发的技术也在不断发展。风电增速箱作为发电机中的一个关键部件一旦发生故障将会造成巨大的经济损失。因此在装机前要用实验台对增速箱进行疲劳寿命预估及可靠性分析，确保增速箱符合设计要求。现有的大型风电增速箱实验台如图1.1所示。

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