1、機(jī)組越“大”，夢想越大，挑戰(zhàn)越大

風(fēng)能作為可再生能源的主力，越來越成為能源市場中成本最低的技術(shù)選擇之一。據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電是除水力發(fā)電外發(fā)電量最大的可再生能源發(fā)電方式。自中國宣布“雙碳”計(jì)劃以來，風(fēng)電行業(yè)迎來爆發(fā)式增長，當(dāng)前我國風(fēng)電新增裝機(jī)量位列全球首位。

 

 

 

面對有限的土地資源，如何實(shí)現(xiàn)效益最大化？答案正蘊(yùn)含在問題之中——“大”。為了降低風(fēng)電的平準(zhǔn)化度電成本，節(jié)省風(fēng)電項(xiàng)目土地資源，風(fēng)電大型化趨勢正在加速。國內(nèi)主流風(fēng)電整機(jī)廠商紛紛發(fā)布最新海陸機(jī)型——

l15MW陸上風(fēng)電機(jī)組刷新全球陸上風(fēng)機(jī)容量最高紀(jì)錄

l22MW海上風(fēng)電機(jī)組刷新全球海上風(fēng)機(jī)容量最高紀(jì)錄

l隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，風(fēng)機(jī)葉片尺寸也不斷增大，最新三一重能在內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾下線的葉片達(dá)到131米

 

 

風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢

 

將風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)機(jī)葉片“變大”，不只是簡單地將尺寸放大，兩個(gè)棘手的問題隨之浮出水面：

 

1.風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)問題：不斷增大的風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)機(jī)葉片帶來了全新的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)問題，采用傳統(tǒng)的線性葉片模型來模擬風(fēng)機(jī)葉片的建模方法已經(jīng)完全不能滿足當(dāng)前大尺寸葉片模型的動力學(xué)建模要求，國內(nèi)某風(fēng)機(jī)主機(jī)廠葉片計(jì)算中，長度110米的復(fù)材葉片，葉尖最大變形超過了35米，非線性特征非常明顯，因此整個(gè)風(fēng)機(jī)行業(yè)迫切需要建立精確的整機(jī)動力學(xué)模型對大型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)性能評估。

 

2.葉片的非線性特性：風(fēng)電行業(yè)通常使用Simpack軟件進(jìn)行多體動力學(xué)建模和仿真。Simpack不僅用于載荷分析、傳動鏈分析、極端工況仿真等，還可用于關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化、動應(yīng)力及疲勞分析等。由于葉片的剛度和質(zhì)量分布在長度方向上極其不均勻，葉片具有典型的非線性特性。尤其隨著葉片長度的增加，非線性特性愈發(fā)明顯。為了仿真和評估大尺寸風(fēng)機(jī)的動態(tài)特性，建立的整機(jī)仿真模型必須考慮葉片的非線性特性。

 

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)載荷計(jì)算：Abaqus 聯(lián)合Simpack“快準(zhǔn)狠”正中靶心

達(dá)索系統(tǒng)先進(jìn)的多體動力學(xué)分析工具Simpack作為風(fēng)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)多體建模工具，在國內(nèi)外的各個(gè)風(fēng)機(jī)主機(jī)廠如維斯塔斯，GE，金風(fēng)，遠(yuǎn)景等都得到廣泛的應(yīng)用，如何讓仿真更深入細(xì)致，更接近真實(shí)世界場景，比如考慮結(jié)構(gòu)非線性大變形的多體動力學(xué)問題，達(dá)索系統(tǒng)給出了完美的答案。

 

在Simpack中，建立非線性葉片有兩種方法，即非線性離散梁方法和Abaqus非線性縮減方法。傳統(tǒng)的非線性離散梁方法基于節(jié)點(diǎn)方法，自由度數(shù)量多，求解速度慢，很難滿足現(xiàn)代風(fēng)電企業(yè)快速研發(fā)的要求。但是為了加快仿真效率，有些企業(yè)明明知道非線性梁結(jié)果更準(zhǔn)確，卻使用線性梁代替非線性梁建立葉片模型，這樣降低了仿真的準(zhǔn)確性。

 

 

Simpack中非線性葉片兩種建模方法

 

為了解決這個(gè)問題，Simpack新開發(fā)了Abaqus的非線性接口?；谶_(dá)索系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非線性分析工具Abaqus，模擬大尺寸葉片在極端風(fēng)載下的大變形，軟件對葉片模型進(jìn)行非線性縮減，保留了葉片部件的幾何非線性特性，然后導(dǎo)入到Simpack中。由于非線性縮減后葉片部件的自由度大大減少，在Simpack中的計(jì)算效率會顯著提升。

 

 

基于Simpack和Abaqus非線性葉片仿真流程

 

基于Abaqus的非線性縮減柔性體方法不可不謂“快準(zhǔn)狠”：

l仿真速度快，所有計(jì)算都在縮減空間內(nèi)進(jìn)行；而且建模方便，非線性柔性體生成類似線性柔性體生成流程

l結(jié)果準(zhǔn)確，精確地復(fù)現(xiàn)了非線性靜態(tài)預(yù)分析的變形，同時(shí)具有高精度的光滑插值/外推算法用于動態(tài)系統(tǒng)計(jì)算

l擴(kuò)展性強(qiáng)，部件可以在剛體、線性柔性體和非線性柔性體之間切換

 

 

非線性葉片性能驗(yàn)證

 

3、Abaqus聯(lián)合Simpack實(shí)操：整機(jī)載荷計(jì)算中大展身手

基于Abaqus的非線性縮減柔性體方法在實(shí)際應(yīng)用中也大大發(fā)揮了其“快準(zhǔn)狠”特質(zhì)。對某一型號的風(fēng)電機(jī)組，通過Abaqus生成非線性葉片，并導(dǎo)入Simpack中建立風(fēng)電整機(jī)模型，進(jìn)行載荷計(jì)算，并與線性葉片整機(jī)模型的結(jié)果進(jìn)行對比。

 

 

Simpack風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算

 

設(shè)置一個(gè)400s的載荷計(jì)算工況，其中30s時(shí)設(shè)有極端陣風(fēng)工況，350s時(shí)設(shè)有緊急停機(jī)工況。對這一極端工況進(jìn)行仿真分析，并對比結(jié)果的差異。

 

仿真結(jié)果的曲線表明，相比線性葉片模型的結(jié)果，非線性葉片模型的葉尖x向位移的數(shù)據(jù)增大了20%（1.3m），葉根扭矩的數(shù)據(jù)增大了25%（2MNm）。采用非線性葉片模型更準(zhǔn)確地模擬了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)載，提供更準(zhǔn)確的風(fēng)載動力學(xué)結(jié)果。

 

 

線性和非線性葉片仿真結(jié)果對比

 

達(dá)索系統(tǒng)深耕多年，始終緊跟行業(yè)風(fēng)向，持續(xù)輸出卓越方案。針對風(fēng)機(jī)大型化帶來的大尺寸葉片的應(yīng)用趨勢，達(dá)索系統(tǒng)推出了基于Abaqus和Simpack的聯(lián)合解決方案破局仿真瓶頸。利用Abaqus強(qiáng)大的非線性功能，提高了模型的精度和結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少了建模工作量，更大大降低了計(jì)算成本，實(shí)現(xiàn)了大型風(fēng)機(jī)大尺寸葉片極端載荷仿真“快準(zhǔn)狠”，解決了行業(yè)面臨的仿真挑戰(zhàn)，并正在國內(nèi)外的大型頭部風(fēng)機(jī)主機(jī)廠中進(jìn)行深入應(yīng)用。

 

 

達(dá)索系統(tǒng)大型風(fēng)機(jī)大尺寸葉片極端載荷仿真方案