基于ANSYS的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組機艙罩分析仿真

1、基于ANSYS的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組機艙罩分析仿真通過有限元分析能對極限風(fēng)載下機艙罩結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行有效分析仿真。本文首先研究了某新型機艙罩關(guān)鍵部件上機艙罩在極限風(fēng)速條件下的受力分析理論模型，以及ANSYS三維有限元分析的基本步驟，并在此基礎(chǔ)上介紹了利用ANSYS軟件建立上機艙罩三維有限元模型，設(shè)定有限元分析參數(shù)，約束邊界條件，施加外部載荷等具體操作方法，從而構(gòu)建了一種基于ANSYS的大型兆瓦級風(fēng)電機組機艙罩受極限風(fēng)載時的三維有限元分析仿真方法。一、極限風(fēng)速受力分析該上機艙罩是與左下、右下機艙罩及機艙罩背板共同組成新型機艙罩結(jié)構(gòu)主體的重要部分。為實現(xiàn)有限元分析計算，在研究上機艙罩在極限風(fēng)速條件下受力

2、分析時，可做如下合理簡化：左下、右下機艙罩、機艙罩背板及機艙支撐裝置視為完全靜止，因此上機艙罩與左下、右下機艙罩及機艙罩背板螺栓聯(lián)接的法蘭面，以及螺栓聯(lián)接可調(diào)支撐裝置附近位置可認(rèn)為全約束;考慮到風(fēng)力發(fā)電機組實際運行中的受風(fēng)面積和氣流情況，只有在極限風(fēng)速條件下，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組完全處于停機并無法自動偏航對風(fēng)時，極限風(fēng)速方向剛好垂直于機艙罩單側(cè)受風(fēng)面，此時機艙罩單側(cè)所受的風(fēng)力載荷可認(rèn)為是機艙罩極限風(fēng)速條件下的極限受力情況，如圖1所示。二、極限風(fēng)載計算模型極限風(fēng)載計算模型來源于三個風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-1國際標(biāo)準(zhǔn)、德國GL認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和丹麥DS472標(biāo)準(zhǔn)，其中丹麥標(biāo)準(zhǔn)中大量載荷與風(fēng)速

3、計算標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)以及GL標(biāo)準(zhǔn)類似，因此，本文的極限風(fēng)載計算模型主要參考IEC標(biāo)準(zhǔn)和GL標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國際電工委員會2007年發(fā)布的風(fēng)力發(fā)電機組 第一部分安全要求(IEC614001)標(biāo)準(zhǔn)，定義了四個不同的風(fēng)力發(fā)電機組等級，等級越高其對應(yīng)的風(fēng)速越低。表給出了每一等級風(fēng)力發(fā)電機組對應(yīng)的風(fēng)速參數(shù)要求。選取該表中的最大風(fēng)速，即類，將50年一遇極限風(fēng)速70m/s作為極限風(fēng)載計算模型的極限風(fēng)速。根據(jù)德國Germanischer Lloy的Guide line forthe Certification of Wind Turbines Edition 2003 with Supplement 2004(GL

4、認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn))可知，一般認(rèn)為機艙罩受極限風(fēng)載時，受風(fēng)前端面和后端面極限風(fēng)載利用系數(shù)分別為0.8 和0.5，受風(fēng)側(cè)端面極限風(fēng)載利用系數(shù)為0.6;為保險起見，仍選取0.8作為機艙罩單側(cè)受極限風(fēng)速的極限風(fēng)載利用系數(shù)。根據(jù)動量定理和流體伯努利方程可知，極限風(fēng)速條件下機艙罩單側(cè)受極限風(fēng)載的計算公式為：其中：P單位面積實際極限風(fēng)載; 極限風(fēng)載利用系數(shù)(0.8); 單位面積理論極限風(fēng)載;P 標(biāo)準(zhǔn)空氣密度; 極限風(fēng)速。代入數(shù)據(jù)可得，極限風(fēng)速條件下機艙罩單側(cè)受單位面積極限風(fēng)載為：。三、ANSYS三維有限元分析步驟ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它能與多數(shù)CAD軟件接

5、口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。ANSYS軟件分析計算類型包括結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學(xué)分析、熱分析和流體動力學(xué)分析等。其有限元分析基本步驟如圖2所示。ANSYS三維有限元分析仿真多采用CAD建模導(dǎo)入，但具體分析步驟有所不同，如圖3所示。四、機艙罩ANSYS三維有限元分析處理1.建立ANSYS三維有限元模型通常ANSYS三維有限元分析模型不直接在ANSYS中建立，而是通過三維CAD軟件建模，再導(dǎo)入ANSYS軟件中。在CAD軟件中建立的機艙罩三維模型通常不能直接被CAE有限元軟件讀取，須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。目前常用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式有兩種，即通過中間

6、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和通過專門接口軟件轉(zhuǎn)換，其方式各有優(yōu)劣。(1)通過中間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是將三維CAD模型保存為一種通用數(shù)據(jù)交換格式，如IGEIS、Parasolid等文件格式，這種交換格式也能為CAE和其他CAD軟件所讀取;該方式應(yīng)用最為廣泛便捷，幾乎適用于所有CAD和CAE軟件，但復(fù)雜三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入后，往往會造成部分模型數(shù)據(jù)丟失和出錯，需在CAE軟件中再次修補。(2)通過專門接口軟件轉(zhuǎn)換，是通過三維CAD軟件和有限元軟件提供的專門接口軟件配置，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換和讀取，該方式導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)完整，無需修補，但只能在相互提供接口配置的特定CAD和CAE軟件之間才能實現(xiàn)，如Pro/ENGINEERAN

7、SYS軟件接口等。著眼于工程應(yīng)用實際，吸取這兩種方式的優(yōu)勢，綜合分步運用這兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式以建立機艙罩的三維有限元模型，具體分三步進(jìn)行。(1)利用現(xiàn)有Inventor上機艙罩設(shè)計模型，為避免模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的丟失和出錯，減少計算量，對原三維設(shè)計模型進(jìn)行大量簡化，得到了如圖4所示的Inventor簡化三維模型。該三維簡化模型去除了全部加強筋和所有螺栓聯(lián)接法蘭補強面，簡化了所有原先起加強作用的前頂蓋、通風(fēng)罩、后頂蓋接口凸臺和法蘭，其結(jié)構(gòu)強度和剛度會比實際降低30%50%。(2)采用通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式，將Inventor軟件中上機艙罩三維簡化模型格式(sjcz.ipt)保存為IGS，通用數(shù)據(jù)交換格式(s

8、jcz.igs)，再導(dǎo)入Pro/ENGINEER軟件中打開，得到如圖5所示的Pro/ENGINEER三維簡化模型，由于事先簡化了三維模型，該導(dǎo)入不會造成數(shù)據(jù)丟失和出錯。(3)利用Pro/ENGINEERANSYS軟件專用數(shù)據(jù)接口，在ANSYS軟件中直接將Pro/ENGINEER三維簡化模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，從而建立起上機艙罩三維有限元分析模型，如圖6所示。2.分析前處理和網(wǎng)格劃分機艙罩使用的是玻璃鋼復(fù)合材料，其材料特性是各向異性且多層非線性。目前復(fù)合材料多采用實體模型抽中面，利用殼單元定義分層材料各向?qū)傩赃M(jìn)行非線性有限元分析。本文所分析的機艙罩復(fù)合材料層多達(dá)20層，每層材料由于層厚、工藝、

9、實驗及資料數(shù)據(jù)所限，無法完整給出每層各向的拉伸、彎曲、壓縮等彈性模量以及主次泊松比。因此，采取了一種理想簡化的分析方法：假定復(fù)合材料各向同性;已知玻璃鋼中90%原料為玻璃纖維和樹脂，玻璃纖維彈性模量約為26000MPa，樹脂彈性模量約為3200MPa，為保守起見，選取主原料最低彈性模量作為簡化材料模型屬性，即定義彈性模量為3200MPa;定義玻璃鋼泊松比為0.3;采用Solid45單元劃分機艙罩有限元模型進(jìn)行靜強度分析，得到495072個8節(jié)點6面體單元，如圖7所示。3.定義邊界條件和施加極限風(fēng)載定義上機艙罩有限元模型邊界條件：如圖8所示，將法蘭面A5，A15，A20，A38，A42定義為全約

10、束。由于ANSYS本身沒有統(tǒng)一單位，需自定義，而導(dǎo)入的CAD模型默認(rèn)長度單位為mm，因此極限風(fēng)速條件下機艙罩單側(cè)受單位面積極限風(fēng)載，應(yīng)換算單位為，施加到如圖9所示的面A11上，然后進(jìn)行有限元求解計算。五、基于ANSYS的機艙罩三維有限元分析仿真根據(jù)上述方法，可得到基于ANSYS的大型兆瓦級風(fēng)電機組機艙罩受極限風(fēng)載時，形變位移和應(yīng)力分析的三維仿真結(jié)果，具體如下。1.形變位移分析仿真云圖如圖10所示，該機艙罩最大形變?yōu)?1.419mm。2.應(yīng)力分析三維仿真云圖如圖11所示，圖a、圖b、圖c、圖d分別按第一強度理論(最大拉應(yīng)力理論)、第二強度理論(最大伸長線應(yīng)變理論)、第三強度理論(最大剪應(yīng)力理論)、第四強度理論(形 狀改變比能理論)得到該機艙罩最大應(yīng)力計算值，分別為：27.857MPa、13.216MPa、-28.173MPa和32.999MPa。六、結(jié)論根據(jù)上述形變位移和四種強度理論分析仿真結(jié)果可知：上機艙罩簡化模型整體剛度較好，最大形變位移僅為21.419mm， 而按四種強度理論得到的應(yīng)力分布都較均勻，得到最大應(yīng)力值依次為28.857MPa、13.216MPa、-28.173MPa和32.999MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機艙罩玻璃鋼材料的最低許可拉伸