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风力发电机主轴作为风机内部关键的传动构件之一,其前端法兰通过锁紧螺栓与轮毂刚性联接,后端通过锁紧盘与增速齿轮箱输入轴相连。工作中,主轴不仅需要承担来自风轮的各种载荷,同时需要将来自风轮的转矩传递给增速齿轮箱,其工况复杂多变,工作应力变化幅度大。根据国家风电行业规范,对于风机主轴这种不可更换的关键零部件,其结构设计寿命需在20年以上,结构可靠度水平需在0.9999以上。论文通过分析某1.5MW风力发电机主轴的结构及边界条件,建立了风机主轴的有限元分析模型。在此基础上,对主轴的静强度,刚度以及疲劳强度进行了分析校核。同时,将主轴的有限元分析的结果作为输入数据,利用专门的可靠性计算软件调用有限元结果分析得到了风机主轴的结构可靠度水平。论文研究内容囊括了下述几个方面:(1)通过分析风机主轴的结构参数以及约束情况,建立了针对主轴进行结构分析的有限元模型。同时,提出了2种不同的约束方案,比较了2种方案的优劣。采用计算效果较好的接触式方案,针对风机主轴16组极限载荷工况进行了分析,得出了风机主轴在各种极限工况下的等效应力和变形。(2)利用Ansys workbench平台中集成的n Code Design Life疲劳寿命计算模块,对风力发电机主轴在5大类,共计46组疲劳设计子工况下的疲劳寿命进行了校核。(3)基于有限元软件ANSYS的参数化建模语言,重新建立了风机主轴参数化的有限元模型,将主轴的载荷参数,尺寸参数以及材料力学性能参数存在的随机性引入到主轴的可靠性计算中来,利用专门的概率分析软件NESSUS连续调用ANSYS有限元分析的结果数据,计算得到了风机主轴的静强度可靠度,并且得到了各随机参数对概率计算结果的影响灵敏度。(4)通过利用专门的数据优化软件ISIGHT调用有限元分析的结果进行DOE实验,判断出了对主轴工作应力影响较大的5个尺寸参数变量。在此基础上,建立了主轴最大等效应力和这5个尺寸参数变量的2阶近似模型。利用得到的近似模型,在保证主轴可靠度同时体积又要最小的情况下,对风机主轴进行了基于可靠性的尺寸优化设计。