基于Optistruct对风电机组摇臂吊基座的拓扑优化设计

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基于Optistruct对风电机组摇臂吊基座的拓扑优化设计

作者：杨兆忠胡鹏

来源：《风能》2015年第08期

摇臂基座使用于风电机组中，是安装在主机架上用于支撑摇臂吊的零件。在设计摇臂基座时，需要兼顾强度、刚度、轻量化及成本要求。目前该项工作主要依赖于设计师的经验，容易造成结构强度余量过大和几何结构不合理，从而使材料浪费、部件质量偏重，不能达到轻量化要求。因此，需要一种科学的方法来设计零什的拓扑结构，提高零部件的可靠性和合理性。

HyperWorks软件是功能强大的CAE应用软件包，它集成了设计与分析所需的各种工具，其中包括HyperMesh、Optistruct等。HyperMesh具有强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。Optistruct是一个有限元结构分析和优化软什，用于概念设计和精细设计，通过拓扑、形

状和尺寸优化技术，结构的质量达到最小，而结构的性能达到最优。

本文中首先对摇臂基座的极限强度和刚度进行了分析。通过分析结果发现在极限工况下，摇臂基座的最大应力远小于材料的屈服强度，不能达到轻量化要求。本文基于Optistruct的优化算法，对摇臂基座的拓扑结构进行优化。保证摇臂基座的结构强度和包络空间满足要求的同时，对拓扑优化的结果结合工艺和安装需求将其结构进行几何重构。对重构后的模型进行最终强度校核，在满足轻量化及成本要求同时确保其满足设计要求。

优化设计方法和理论概述

优化设计有三要素，即设计变量X，目标函数F （X），约束函数gu （X）和hv

（X）。设计变量足优化设计要优选的量，表示为X=[xl，x2，…，xn]T；目标函数是优化设计好坏的一个衡量指标，记为F （X） =F （xl，x2，…，xn）；约束函数是设计变量选择的

限制条件，其形式有不等式约束gu （X）和等式约束hv （X）。一股优化设计问题的数学模型可以表达如下：

minF（X）

满足约束：gu（X）≤0，u=1，2，…，m

hv（X）=0 v=1，2，…，P

式中：u、v为未知数的个数；m=p=0称为无约束优化问题，m≠p≠0称为约束优化问题；F （X）、gu（X）和hv（X）都是线性函数，称为线性优化问题；F（X）、gu（X）和hv （X）其中有一个为非线性函数，称为非线性优化问题。