风电制动器是风电制动系统中机械制动的关键部件,随着风力发电机组逐步向大兆瓦级别发展,现有风电制动器难以满足在高速重载工况下对制动效能需求。制动闸片作为机械制动的直接执行元件,对大兆瓦风电制动器的制动效能有直接影响。根据大兆瓦风电制动器制动闸片的实际工况,利用多目标结构拓扑优化技术对制动闸片结构进行设计,对提高其制动效能和制动可靠性具有重要意义。本文针对现有大兆瓦风电制动器制动闸片存在磨损不均匀,制动振颤、抖动和尖叫及摩擦热变形等问题,在已知大兆瓦风电制动器制动闸片的力学性能前提下,对制动闸片进行静态特性、动态特性及热结构耦合分析,并对大兆瓦风电制动器制动过程进行分析,确定制动闸片结构须满足的最低优化目标。以有限元法和基于SIMP的变密度拓扑优化方法为基础,结合多目标折衷规划理论,在分析大兆瓦风电制动器制动闸片实际工况条件下静态及动态特性的基础上,分别对大兆瓦风电制动器制动闸片进行静力结构、静动态多目标结构及考虑热结构耦合作用的静动态多目标结构拓扑优化分析,并根据优化后的拓扑结果重构出大兆瓦风电制动器制动闸片几何结构,在相应实际工况条件下验证了重构结构的准确性,并通过比较各优化结果分析了动态振动频率和热结构耦合效应等影响因素对制动闸片结构优化的影响。研究结果表明:通过对制动闸片结构在实际工况条件下的拓扑优化设计,能够在满足现有制动闸片力学性能的前提下,使摩擦表面的应力分布更均匀,从而提高摩擦材料利用率;在制动闸片合适位置设计孔结构,有利于抑制大兆瓦风电制动器制动过程中产生的振颤、抖动和尖叫;同时,制动闸片结构应保留足够材料以利于摩擦热的传导。本文对现有大兆瓦风电制动器制动闸片力学性能的分析,为针对制动闸片的结构优化提供了设计参考;对利用制动闸片结构设计解决现有制动闸片出现的不均匀磨损,制动过程中的振颤、抖动和尖叫及摩擦热变形等问题提供了解决思路与理论依据;优化过程中对结构拓扑优化方法应用中解决多目标问题提供了解决思路;考虑热结构耦合作用的多目标结构拓扑优化数学模型的建立,为连续体拓扑优化技术在耦合场工况下的应用提供了参考。