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近年来,世界各国纷纷向低碳能源体系转型。作为应用规模最广的可再生能源,风力发电得到高速发展。因为市场要求持续降低风电平均发电成本,所以风力发电机的尺寸和容量变得愈发大型化,这对风力发电机零部件的力学性能和可靠性提出更高的要求。作为风力发电机中的重要部件,轮毂在工作过程中需要承受复杂的载荷工况,并且要求其在20年设计寿命期间不能发生损坏失效,故轮毂的极限强度分析和疲劳寿命分析对保障机组的正常运行极为重要。此外,因为轮毂的体积和重量普遍较大,所以需要在满足其强度和疲劳寿命的前提下对其进行轻量优化设计。因此,大型风力发电机轮毂结构的建模仿真和优化设计研究,对风电技术的国产自主研发工作具有极其重要的意义。本文以某5MW风力发电机组的轮毂结构为研究对象,采用有限元方法对其进行建模仿真和结构优化工作,主要研究工作如下:(1)根据对风轮系统的载荷分析,首先建立风轮局部简化几何模型和相应的有限元分析模型,然后计算了轮毂在48种叶根极限载荷工况下的极限强度情况,最后完成48组计算结果的校核分析。结果显示,48种工况中最大极限应力为132MPa,小于材料许用应力,轮毂结构满足设计要求。此外,现有轮毂结构具有较大的设计安全余量,可以进行结构轻量优化设计。(2)基于风轮局部有限元分析模型,首先计算了轮毂在单位载荷下的疲劳应力,再根据疲劳损伤累积理论,采用危险平面法与Haigh图均值矫正法,完成对轮毂结构的疲劳寿命分析。结果显示,该轮毂结构的最大疲劳损伤值为0.158,即疲劳寿命为126.6年,满足设计要求。(3)在轮毂极限强度和疲劳寿命分析基础上,首先完成轮毂结构对载荷的敏感度分析,得到轮毂结构的重点优化区域。再利用子模型和拓扑优化方法对轮毂进行结构优化。最后重构轮毂结构并对其进行极限强度分析和疲劳寿命分析。结果显示,优化后的结构满足轮毂的设计要求,优化后体积为5.15m3,重量为36565kg,较原始结构减轻7.7%,实现轻量优化设计的目标。