经过保罗Heney,编辑主任
An engineering firm that designs seals for wind turbine bearings used finite-element analysis software to simulate the performance of a seal or gasket and then an optimizing package to runs through hundreds of design and material possibilities to find a best fit for a wind turbine’s wide operating range.
“可靠的设计是我所说的令人满意，”Francenberg的密封工程师弗兰克桑贝格说。“他们满足经营要求，足以提供质量。”
每个风力涡轮机包含至少四个大直径轴承，一个用于俯仰每个刀片和偏航轴承。每个都需要两个密封件。“在一个3兆瓦的涡轮机中，有大约75米的垫圈，每毫米对性能至关重要，”他说。
由于温度，负载变化和制造的小变化等原因，密封故障。
“制造期间的小缺陷是不可避免的，”Schoenberg说，“弹性体生产过程中的甚至小的变化都可以显着改变垫片密封特性，例如材料的岸上硬度。”
制造公差和其他载荷的变化可以使轴承变形并改变内轴承环之间的间隙的宽度。两个环的轴向偏移会产生其他问题。而且，垫圈的摩擦系数可以对密封功能具有很大的影响。
3MW涡轮机使用许多米的垫片，例如本研究中的垫片。
寻找解决方案需要权衡利弊。例如，垫圈必须有多硬才能在负载下保持形状?然后维护和日常性能也需要权衡。垫圈应该易于安装，并且在操作过程中保持牢固。最后，成本控制与能力最大化之间存在不可避免的冲突。
设计目标已从创造一个有限的条件中创造最佳部分，以使其在广泛的情况下可接受地工作。
为了找到答案，勋伯格的团队使用了Abaqus有限元分析(FEA)软件和Isight优化软件——都来自达索Systèmes 3experience simula应用程序。这让分析人员可以模拟数百种变化，并确定哪一种最符合设计目标。
所讨论的垫圈是由专有的弹性体制成的挤压接触密封。其任务是保护大型轴承免受环境危害，并密封内部的润滑脂。轴承直径范围从1米的节距轴承到5米的回转轴承，典型的横截面只有25 × 25毫米。此外，即使在高要求的环境中，该垫圈也有望使用20年。
现场要求包括来自润滑脂的压力负载、摩擦扭矩和拆卸力，同时达到生产成本目标。设计评估使用物理原型和模拟。
第一个分析任务是创建一个网状模型来在Abaqus中运行。设定其特性是简单的：与具有非线性性质的弹性体垫圈相比，轴承金属定义为可变性。因为垫圈由均匀材料制成和对称，所以可以模拟和网2D横截面，大大减少运行时间，同时仍然提供准确的结果。
该横截面显示了数十个设计细节。
分析师选择了14个参数，几何尺寸和材料特性，以进行优化。iSight Workflow中的实验方法设计识别了最大的性能影响的参数。该初始筛选将数量切割为六个至关重要的参数。
下一阶段让优化程序运行大约200实验，即参数定制的几何尺寸和材料特性（六个变量）。
勋伯格说:“通过确定主要影响，我们可以排除不重要的因素，并将我们的努力集中在对结果影响最大的地方。”
该设计经常更新，以反映更改客户规范和部署位置，因此所产生的设计不是单尺寸适合的密封，解释了Schoenberg。例如，一个设计方案在耐压性和低优先级的情况下定义了高优先级，以摩擦和中等优先级的摩擦力和安装力。更重要的是，垫圈是由一个弹性体制成的，但它具有不同的肖氏硬度，导致约20个不同的亚材料。
Freudenberg探索设计概念的系统方法产生了良好的效果。
因为垫圈是对称的和均匀的，因此运行具有均匀压力负荷（箭头）的横截面的小型FEA网状模型是可行的。
“我们最终完成了具有更多标准方法所达到的特点的垫圈，”Schoenberg说，“并且对加工和制造缺陷的敏感性，以及风力涡轮机的操作条件。”
新部件在公称条件下表现良好(通过物理原型验证)，尽管“噪声”(公差和其他不确定性)不可避免地影响回转轴承的运行，但它表现良好。
分析设置需要时间，但Isight大大缩短了优化时间。与Freudenberg之前的方法相比，每次迭代的运行时间从30分钟减少到0.1秒。总的来说，计算时间从估计的16,300小时(约678天)下降到100小时。
“我们得到了良好的效果，做出了更好的明智决策，提高了我们的效率，”Schoenberg说。“我们还建立了一个META模型，当客户进入新的要求和优先事项时，可以成为经济效益定制的起点。”
Dassaultsystèmes.
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