5MW급 풍력발전기용 기어박스 하우징의 형상 최적설계 = Optimum Shape Design of Gearbox Housing for 5MW Wind Turbines

국문 초록 (Abstract)

5MW급 풍력발전용 기어박스의 효율적인 구조해석과 근사모델을 생성하여 경량화를 위한 형상 최적설계를 수행하였다. 풍력발전용 기어박스의 구조는 기어 트레인, 축, 베어링, 하우징과 같이 복잡한 구성요소로 이루어져 있어 구조해석에 많은 요소 수를 요구하고 있다. 본 연구에서는 헬리컬 기어의 치강성 계수를 고려한 효과적인 기어박스의 구조해석 모델을 생성하였다. 치강성 계수를 사용한 유성 기어열은 상대적으로 적은 요소 수와 해석시간으로도 전체 기어박스 시스템의 구조해석과 형상 최적화를 가능케 한다. 치강성을 이용한 단순화된 해석모델과 근사모델을 적용하여 하우징 무게에 영향이 큰 부위의 두께를 설계변수로 설정하여 케이스 최적설계안을 도출하였으며, 최적설계를 위해 사용된 근사모델의 신뢰성과 최적 기어박스 하우징 형상의 수치해석을 통해 타당성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The thickness optimization of the gearbox housing for 5MW wind turbine is carried out with the help of the efficient structure analysis model and the approximation model of objective function. Wind turbine gearbox is a complex structural system composed of a number of gear trains, shafts, bearing and gearbox housing, requiring a tremendous number of elements for the structural analysis and design. In this paper, an effective analysis and design model considering the tooth stiffness of helical gears is proposed. It enables to significantly reduce the total element number and the analysis time. Through the numerical optimization of housing thickness making use of the effective gearbox model and the approximate model of objective function, the total weight of the gearbox housing is minimized. It has been observed from the numerical experiment that the approximation model is reliable and the optimization result is acceptable and verified analysis.

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