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随着化石燃料等不可再生能源的日益枯竭和人类环保意识的增强,可再生能源受到了越来越多的关注和重视。全球的风电产业近几十年发展迅速,但也暴露出一系列的问题。我国风电行业起步较晚,国内风电机组生产企业对风电机组主机架的设计技术还不成熟,设计流程还不够全面,主机架的安全余量较大。同时,企业提出了降低主机架制造成本的要求。因此,本文针对现有主机架的安全余量较大、设计方法单一和设计流程不全面的问题,以某大型风电机组主机架为研究对象,结合有限元方法和相关理论计算的方法,基于德国劳埃德(Germanischer Lloyd,GL)船级社认证规范和国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)标准,以商用优化软件和有限元软件为工具,系统全面地从主机架的减重优化设计到主机架的实际生产制造进行了研究,在降低主机架重量和节约制造成本的同时,为后续风电机组其他零部件的减重优化设计提供技术支持和方法指导。本文的主要研究内容如下:(1)介绍了风电机组零部件极限强度和疲劳寿命分析的理论基础,包括有限元极限强度分析理论和疲劳分析线性损伤累积理论,以主机架为例,指出了在对其进行减重优化设计时,应如何提高计算精度和疲劳寿命等给出了方法指导,为风电机组零部件或其他相似机械结构的设计提供支撑。(2)提出了一种风电机组主机架减重设计的可实现方法。以商用优化软件作为主要工具对主机架进行拓扑优化,结合风电机组的相关认证标准,计算主机架在不同极限工况下的材料分布情况,考虑主机架与其他零部件位置关系并结合工程经验对主机架局部构型的细节进行设计。为后续主机架或风电机组其他零部件的减重设计提供一种工程实用方法。(3)提出了主机架减重优化的工程实用方法。在拓扑优化设计阶段,对拓扑优化设计的主机架构型进行差异化建模,提高拓扑优化的效率,缩短主机架减重优化的设计周期。在极限强度和疲劳寿命的计算校核阶段,建立了精细的有限元模型,完整体现了主机架与其他零部件的实际装配关系和载荷传递方式,以提高模型的计算精度。该方法可推广到风电机组零部件或其他相似机械的优化构型设计中,为此类零部件的建模和分析工作提供了比较实用的方法。(4)提出了主机架局部构型优化设计的工程实用方法。给出了计算结果的合理分析解释,针对性地提出了主机架局部构型的优化改进措施,使得最终的主机架构型同时满足极限和疲劳设计的要求,这种局部构型的优化方法可作为复杂构型零部件在工程设计分析时的参考方法。