自顶向下设计在大型风力发电机设计中的应用

周兴，李正霞

(东方电气风电有限公司，四川德阳，618000)

自顶向下设计在大型风力发电机设计中的应用

周兴，李正霞

(东方电气风电有限公司，四川德阳，618000)

根据风力发电机研发周期短、设计质量要求高的特点，文章将自顶向下的设计方法运用于大型风力发电机的设计。该方法通过定义设计意图、建立骨架模型、共享数据和参数化建模，实现了风机产品各部分的并行设计，并有效提高了产品的可修改性。实验证明该方法缩短设计周期30%以上。

自顶向下，骨架模型，风力发电机设计

0 引言

经过对国外风力发电技术的引进以及多年来的消化吸收，国内已经拥有相当的研发能力，然而激烈竞争的风机市场对风机的个性化需求也越来越高，因此缩短新机型的研发周期，提高机组的设计质量已经成为亟需解决的问题之一。而自顶向下的设计方法已被广泛应用于汽车、机床等复杂机械的设计[1]，能够有效提高设计效率。因此，本文将该方法应用于大型风力发电机的设计，实验证明该方法能够有效提高风机的设计效率，缩短设计周期30%以上。

1 模型规划

自顶向下设计通过最顶层的产品结构，将设计规范传递到所有相关的局部组装中，并可以在整个设计过程中，掌控模型相关性与衍生的改变，有效地管理外部参照。由于它是针对产品本身，而不是产品的某个零部件，因此自顶向下设计要求设计者在产品设计初期，就要充分考虑到所有零件的外观、大小、位置和零件间的配合关系，根据其特点定义好设计意图、规划好结构设计实现方法、主控参数和因果参数等，并在设计周期允许的情况下，尽可能多地考虑到未来的设计变更。这样，在模型优化设计时，可有效提高模型的可修改性，节省大量时间，从而在复杂的风机产品设计中，将设计效率大大提高。下面以3 MW海上风机的塔筒改进设计（简称FD119B塔筒设计）为例，阐述模型的规划过程。

1.1 定义设计意图[2]

在建模之前，必须深入研究项目的设计目标、设计周期以及产品的使用环境、需要实现的功能。从而定义产品设计规范，并在布局文件中绘制粗略的2D草图。FD119B塔筒改造设计项目中，机组为FD115C的改造项目要求安装在潮间带，受海上盐雾和天气的影响，变压器、中压开关柜、低压开关柜等柜体需要安装在塔筒内，而变频器散热器、变压器散热器以及新增的盐雾过滤器需要安装在不被海水飞溅的塔筒外侧[3]。根据设计要求，在布局文件中绘制粗略的2D草图，如图1所示，参数如表1所示。

图1 FD119B塔筒布局文件

表1 FD119B主控参数表

其中，FD119B新增塔筒过渡段用于放置主变压器和中压开关柜，其高度L0取决于主变压器的安装高度和自身的外形尺寸；L1高度取决于主变压器下部电缆的最小弯曲半径和自身的维护要求；由于该项目为改造项目，第五段塔筒已完成生产，其长度保持不变，L2、L3、L4的高度需综合考虑各平台柜体的外形尺寸、安装维护要求等因素后，方可确定。

1.2 建立骨架模型[3]

骨架模型是一个3D参数化布局，用来为组装撷取重要的设计准则和设计意图，主要通过基准特征（如基准点、基准面、坐标系）、曲面、曲线将设计意图在整个设计中准确地传递，保证设计的稳定性。图2为FD119B塔筒设计最顶层的骨架模型，它包括了整个设计中产品级的主控参数及其子组件装配所需的基准面，如塔筒中心线、地基面、门框中心面等。

图2FD119B塔筒设计的骨架模型

图3 为FD119B塔筒的子组件——外围平台的骨架模型，该骨架既包括从塔筒传递过来的设计意图——外部复制几何，又包括组件内需要传递的设计信息——各基准面、曲线等。因此，在骨架建立过程必须理清主控参数控制范围，这有利于建立精简有效的骨架模型，让每一个设计者都能迅速读懂模型的设计意图。

图3 FD119B外围平台的骨架模型

2 共享数据

共享数据主要包括输入特征、发布几何、复制几何和收缩包络。共享数据可以将风机各部分设计进行系统化的分割，让不同的设计人员同时获得所负责部件的设计信息，并行完成风机的设计。以外围平台的设计为例，外围平台的设计只与第五段塔筒筒体及门框的位置有关，因此只需要向外围平台设计人员共享如图4所示的数据即可。通过此类方法，分别向设计人员共享变压器支架、入门平台、变频器安装平台、塔筒螺栓维护平台所需的数据，就可完成各大部件的并行设计。

图4 外围平台的共享数据

3 参数化建模

设计人员接收到共享数据后，开始对所负责的零部件进行建模，建模前要充分理解零部件的特点，对零部件进行形体分析，以确定设计变量和建模策略，然后进行参数化建模。

3.1 合理划分部套

在复杂的风机设计中，每一个设计人员负责设计的子组件也是比较复杂的。以FD119B外围平台的设计为例，外围平台还需要进一步划分为以下几个部分：左部支架、中部支架、右部支架、护栏、斜撑、栅格板等。正确划分部套能够让设计者的设计思路更加清晰，并大大减少后期投影工程图纸的工作量。

3.2 创建参数化模型[4]

创建参数化模型最重要的途径之一就是建立参数化的草图，主要包含以下几个方面[5]：

（1）合理、清晰地规划零部件的草图结构，以能够完整地表达该零部件的设计意图。每个草图要尽可能简单，要将复杂的草图分解为简单的草图以便于约束和修改。同时要利用约束建立各个草图之间的关联关系，以使控制参数变更时，草图之间的位置关系不会错位。

（2）合理绘制草图。对于比较复杂的草图，最好避免一次绘制完所有的曲线，然后再加约束，这容易出现约束冲突，从而增加建立全约束的难度。一般要按设计意图建立曲线，并且每建立一条或几条曲线，要随之建立相应的约束条件，修改尺寸约束到设计意图值。这样可以减少草图曲线过约束、欠约束、约束矛盾发生的可能性。

（3）合理建立约束条件。将草图通过几何约束如固定、共线等定位到基准线、基准面；尽可能多地使用几何约束，只有表达设计的关键控制参数才用尺寸约束，这样可以减少参数的数量。

（4）在建立草图时要随时关注草图的约束状态。为了达到变型设计的要求，最好使草图能够完全约束，这样可以减少出错的可能。

4 组装

通过自顶向下方法设计完成的模型，只需要采用缺省的方式即可完成装配，非常方便，图5为塔筒改造后的实例。该模型可控性非常好，在设计的任何阶段发现问题，都可以通过调整表1中产品级的设计参数进行修改，并发布最新的共享数据，无需每个设计者都关心整个产品的设计细节，大大提高了工作效率。

Application of Top-down Method in Large-scale Wind Turbine Design

Zhou Xing，Li Zhengxia
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Based on the short cycle and the high design quality characteristic of wind turbine research and development,the topdown design method is applied to the design of large-scale wind turbine.The method implements concurrent design of the product by defining the design intent,setting up the skeleton model,sharing data and parameterizing modeling,then effectively improves the modifiability of products.Experiments prove that the method shortens the design cycle for about 30%.

top-down,skeleton model,wind turbine design

TP241

A

1674-9987（2015）04-0061-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.013

周兴(1985-)，男，助理工程师，主要从事风电机组机械设计方面的工作。