风机主轴作为传动系统中的关键组件之一,在运行过程中承受着来自风轮轮毂的多种复杂载荷,其结构设计的合理性将直接影响传动系统乃至整个机组的性能。根据风电行业的要求,风力发电机组主轴必须拥有超过20年的设计寿命。此外,主轴重量较大且多为锻造生产,生产成本较高,可转换为重量更轻且生产成本更低的铸造生产。因此,在满足结构强度和疲劳寿命要求的前提下,实现铸造主轴的轻量化设计,可有效降低制造成本。本文以某3MW风力发电机组铸造主轴为研究对象,基于有限元法,对其展开多体建模、数值仿真和优化设计研究。研究结果对风力发电机组关键部件结构设计的自主研发工作及工程应用具有重要意义。主要研究工作如下:1.在风力发电机组主轴系统装配模型的基础上,建立了主轴系统的有限元模型,其中在轮毂中心施加载荷,通过采用LINK10单元代替轴承滚子来模拟轴承对主轴的支撑作用。通过非线性接触分析,对主轴在16个极限工况下的静力学特性进行了研究。结果表明在DLC1.3-a1工况下主轴的工作应力达到最大为175MPa,小于材料的许用应力,满足结构的极限强度要求。2.基于Miner准则对铸造主轴用于疲劳寿命分析的材料、载荷历程等进行研究。运用雨流计数法简化疲劳载荷谱,校核了不同表面粗糙度下的主轴在各个疲劳工况下的疲劳强度。结果表明表面粗糙度低于200μm的主轴满足疲劳强度要求。3.运用主轴振动理论,对比分析无约束状态下的风机单轴、添加轴承的主轴和传动链三种模型的固有频率和振型。进一步对约束状态下的传动链模型进行预应力模态分析,结果表明主轴不会与风轮发生共振。4.基于结构强度和模态分析结果,综合利用拓扑、形状以及尺寸参数优化方法,达到铸造主轴在满足极限强度和疲劳寿命要求下减重17.22%的目标,有利于生产材料得到更充分的利用,为降低生产成本,进一步优化设计提供了依据。