一、機(jī)組越“大”，夢(mèng)想越大，挑戰(zhàn)越大

風(fēng)能作為可再生能源的主力，越來(lái)越成為能源市場(chǎng)中成本最低的技術(shù)選擇之一。據(jù)國(guó)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(guó)宣布“雙碳”計(jì)劃以來(lái)，風(fēng)電行業(yè)迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，當(dāng)前我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)量位列全球首位。

面對(duì)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(wèn)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(shì)正在加速。國(guó)內(nèi)主流風(fēng)電整機(jī)廠商紛紛發(fā)布最新海陸機(jī)型——

風(fēng)電機(jī)組發(fā)展趨勢(shì)

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

1、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題：不斷增大的風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)機(jī)葉片帶來(lái)了全新的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的線性葉片模型來(lái)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(dòng)力學(xué)建模要求，國(guó)內(nèi)某風(fēng)機(jī)主機(jī)廠葉片計(jì)算中，長(zhǎng)度110米的復(fù)材葉片，葉尖最大變形超過(guò)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(dòng)力學(xué)模型對(duì)大型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能評(píng)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(dòng)力學(xué)建模和仿真。Simpack不僅用于載荷分析、傳動(dòng)鏈分析、極端工況仿真等，還可用于關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化、動(dòng)應(yīng)力及疲勞分析等。由于葉片的剛度和質(zhì)量分布在長(zhǎng)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(zhǎng)度的增加，非線性特性愈發(fā)明顯。為了仿真和評(píng)估大尺寸風(fēng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)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(guó)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(chǎng)景，比如考慮結(jié)構(gòu)非線性大變形的多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(wèn)題，Simpack新開(kāi)發(fā)了Abaqus的非線性接口。基于達(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(duì)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(huì)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”：

快：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(lèi)似線性柔性體生成流程

準(zhǔn)：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(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算

狠：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

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(duì)某一型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組，通過(guò)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(duì)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(duì)這一極端工況進(jìn)行仿真分析，并對(duì)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(dòng)力學(xué)結(jié)果。

線性和非線性葉片仿真結(jié)果對(duì)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(duì)風(fēng)機(jī)大型化帶來(lái)的大尺寸葉片的應(yīng)用趨勢(shì)，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(guó)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

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