基于ANSYS的兆瓦級風力發(fā)電機組機艙罩分析仿真

1、基于ANSYS的兆瓦級風力發(fā)電機組機艙罩分析仿真通過有限元分析能對極限風載下機艙罩結構強度進行有效分析仿真。本文首先研究了某新型機艙罩關鍵部件上機艙罩在極限風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，并在此基礎上介紹了利用ANSYS軟件建立上機艙罩三維有限元模型，設定有限元分析參數(shù)，約束邊界條件，施加外部載荷等具體操作方法，從而構建了一種基于ANSYS的大型兆瓦級風電機組機艙罩受極限風載時的三維有限元分析仿真方法。一、極限風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構主體的重要部分。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)接可調支撐裝置附近位置可認為全約束;考慮到風力發(fā)電機組實際運行中的受風面積和氣流情況，只有在極限風速條件下，當風力發(fā)電機組完全處于停機并無法自動偏航對風時，極限風速方向剛好垂直于機艙罩單側受風面，此時機艙罩單側所受的風力載荷可認為是機艙罩極限風速條件下的極限受力情況，如圖1所示。二、極限風載計算模型極限風載計算模型來源于三個風力發(fā)電機組設計通用標準IEC 61400-1國際標準、德國GL認證標準和丹麥DS472標準，其中丹麥標準中大量載荷與風速

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

4、認證標準)可知，一般認為機艙罩受極限風載時，受風前端面和后端面極限風載利用系數(shù)分別為0.8 和0.5，受風側端面極限風載利用系數(shù)為0.6;為保險起見，仍選取0.8作為機艙罩單側受極限風速的極限風載利用系數(shù)。根據(jù)動量定理和流體伯努利方程可知，極限風速條件下機艙罩單側受極限風載的計算公式為：其中：P單位面積實際極限風載; 極限風載利用系數(shù)(0.8); 單位面積理論極限風載;P 標準空氣密度; 極限風速。代入數(shù)據(jù)可得，極限風速條件下機艙罩單側受單位面積極限風載為：。三、ANSYS三維有限元分析步驟ANSYS軟件是融結構、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)代產品設計中的高級CAE工具之一。ANSYS軟件分析計算類型包括結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、動力學分析、熱分析和流體動力學分析等。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，須進行數(shù)據(jù)轉換。目前常用數(shù)據(jù)轉換方式有兩種，即通過中間

6、數(shù)據(jù)格式轉換和通過專門接口軟件轉換，其方式各有優(yōu)劣。(1)通過中間數(shù)據(jù)格式轉換是將三維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;該方式應用最為廣泛便捷，幾乎適用于所有CAD和CAE軟件，但復雜三維數(shù)據(jù)模型導入后，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)的直接轉換和讀取，該方式導入模型數(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)轉換方式以建立機艙罩的三維有限元模型，具體分三步進行。(1)利用現(xiàn)有Inventor上機艙罩設計模型，為避免模型數(shù)據(jù)轉換中的丟失和出錯，減少計算量，對原三維設計模型進行大量簡化，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、通風罩、后頂蓋接口凸臺和法蘭，其結構強度和剛度會比實際降低30%50%。(2)采用通用數(shù)據(jù)轉換方式，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合材料，其材料特性是各向異性且多層非線性。目前復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屬性進行非線性有限元分析。本文所分析的機艙罩復合材料層多達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，而導入的CAD模型默認長度單位為mm，因此極限風速條件下機艙罩單側受單位面積極限風載，應換算單位為，施加到如圖9所示的面A11上，然后進行有限元求解計算。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的大型兆瓦級風電機組機艙罩受極限風載時，形變位移和應力分析的三維仿真結果，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(最大拉應力理論)、第二強度理論(最大伸長線應變理論)、第三強度理論(最大剪應力理論)、第四強度理論(形 狀改變比能理論)得到該機艙罩最大應力計算值，分別為：27.857MPa、13.216MPa、-28.173MPa和32.999MPa。六、結論根據(jù)上述形變位移和四種強度理論分析仿真結果可知：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力分布都較均勻，得到最大應力值依次為28.857MPa、13.216MPa、-28.173MPa和32.999MPa，均遠遠小于機艙罩玻璃鋼材料的最低許可拉伸