基于ANSYS的兆瓦级风力发电机组机舱罩分析仿真

1、基于ANSYS的兆瓦级风力发电机组机舱罩分析仿真通过有限元分析能对极限风载下机舱罩结构强度进行有效分析仿真。本文首先研究了某新型机舱罩关键部件上机舱罩在极限风速条件下的受力分析理论模型，以及ANSYS三维有限元分析的基本步骤，并在此基础上介绍了利用ANSYS软件建立上机舱罩三维有限元模型，设定有限元分析参数，约束边界条件，施加外部载荷等具体操作方法，从而构建了一种基于ANSYS的大型兆瓦级风电机组机舱罩受极限风载时的三维有限元分析仿真方法。一、极限风速受力分析该上机舱罩是与左下、右下机舱罩及机舱罩背板共同组成新型机舱罩结构主体的重要部分。为实现有限元分析计算，在研究上机舱罩在极限风速条件下受力

2、分析时，可做如下合理简化：左下、右下机舱罩、机舱罩背板及机舱支撑装置视为完全静止，因此上机舱罩与左下、右下机舱罩及机舱罩背板螺栓联接的法兰面，以及螺栓联接可调支撑装置附近位置可认为全约束;考虑到风力发电机组实际运行中的受风面积和气流情况，只有在极限风速条件下，当风力发电机组完全处于停机并无法自动偏航对风时，极限风速方向刚好垂直于机舱罩单侧受风面，此时机舱罩单侧所受的风力载荷可认为是机舱罩极限风速条件下的极限受力情况，如图1所示。二、极限风载计算模型极限风载计算模型来源于三个风力发电机组设计通用标准IEC 61400-1国际标准、德国GL认证标准和丹麦DS472标准，其中丹麦标准中大量载荷与风速

3、计算标准、IEC标准以及GL标准类似，因此，本文的极限风载计算模型主要参考IEC标准和GL标准。根据国际电工委员会2007年发布的风力发电机组 第一部分安全要求(IEC614001)标准，定义了四个不同的风力发电机组等级，等级越高其对应的风速越低。表给出了每一等级风力发电机组对应的风速参数要求。选取该表中的最大风速，即类，将50年一遇极限风速70m/s作为极限风载计算模型的极限风速。根据德国Germanischer Lloy的Guide line forthe Certification of Wind Turbines Edition 2003 with Supplement 2004(GL

4、认证标准)可知，一般认为机舱罩受极限风载时，受风前端面和后端面极限风载利用系数分别为0.8 和0.5，受风侧端面极限风载利用系数为0.6;为保险起见，仍选取0.8作为机舱罩单侧受极限风速的极限风载利用系数。根据动量定理和流体伯努利方程可知，极限风速条件下机舱罩单侧受极限风载的计算公式为：其中：P单位面积实际极限风载理论极限风载;P 标准空气密度; 极限风载利用系数(0.8); ; 极限风速单位面积。 代入数据可得，极限风速条件下机舱罩单侧受单位面积极限风载为：。三、ANSYS三维有限元分析步骤ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数CAD软件

5、接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS软件分析计算类型包括结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析和流体动力学分析等。其有限元分析基本步骤如图2所示。ANSYS三维有限元分析仿真多采用CAD建模导入，但具体分析步骤有所不同，如图3所示。四、机舱罩ANSYS三维有限元分析处理1.建立ANSYS三维有限元模型通常ANSYS三维有限元分析模型不直接在ANSYS中建立，而是通过三维CAD软件建模，再导入ANSYS软件中。在CAD软件中建立的机舱罩三维模型通常不能直接被CAE有限元软件读取，须进行数据转换。目前常用数据转换方式有两种，即通过中

6、间数据格式转换和通过专门接口软件转换，其方式各有优劣。(1)通过中间数据格式转换是将三维CAD模型保存为一种通用数据交换格式，如IGEIS、Parasolid等文件格式，这种交换格式也能为CAE和其他CAD软件所读取;该方式应用最为广泛便捷，几乎适用于所有CAD和CAE软件，但复杂三维数据模型导入后，往往会造成部分模型数据丢失和出错，需在CAE软件中再次修补。(2)通过专门接口软件转换，是通过三维CAD软件和有限元软件提供的专门接口软件配置，实现模型数据的直接转换和读取，该方式导入模型数据完整，无需修补，但只能在相互提供接口配置的特定CAD和CAE软件之间才能实现，如Pro/ENGINEERA

7、NSYS软件接口等。着眼于工程应用实际，吸取这两种方式的优势，综合分步运用这两种数据转换方式以建立机舱罩的三维有限元模型，具体分三步进行。(1)利用现有Inventor上机舱罩设计模型，为避免模型数据转换中的丢失和出错，减少计算量，对原三维设计模型进行大量简化，得到了如图4所示的Inventor简化三维模型。该三维简化模型去除了全部加强筋和所有螺栓联接法兰补强面，简化了所有原先起加强作用的前顶盖、通风罩、后顶盖接口凸台和法兰，其结构强度和刚度会比实际降低30%50%。(2)采用通用数据转换方式，将Inventor软件中上机舱罩三维简化模型格式(sjcz.ipt)保存为IGS，通用数据交换格式(

8、sjcz.igs)，再导入Pro/ENGINEER软件中打开，得到如图5所示的Pro/ENGINEER三维简化模型，由于事先简化了三维模型，该导入不会造成数据丢失和出错。(3)利用Pro/ENGINEERANSYS软件专用数据接口，在ANSYS软件中直接将Pro/ENGINEER三维简化模型导入ANSYS软件中，从而建立起上机舱罩三维有限元分析模型，如图6所示。2.分析前处理和网格划分机舱罩使用的是玻璃钢复合材料，其材料特性是各向异性且多层非线性。目前复合材料多采用实体模型抽中面，利用壳单元定义分层材料各向属性进行非线性有限元分析。本文所分析的机舱罩复合材料层多达20层，每层材料由于层厚、工艺

9、、实验及资料数据所限，无法完整给出每层各向的拉伸、弯曲、压缩等弹性模量以及主次泊松比。因此，采取了一种理想简化的分析方法：假定复合材料各向同性;已知玻璃钢中90%原料为玻璃纤维和树脂，玻璃纤维弹性模量约为26000MPa，树脂弹性模量约为3200MPa，为保守起见，选取主原料最低弹性模量作为简化材料模型属性，即定义弹性模量为3200MPa;定义玻璃钢泊松比为0.3;采用Solid45单元划分机舱罩有限元模型进行静强度分析，得到495072个8节点6面体单元，如图7所示。3.定义边界条件和施加极限风载定义上机舱罩有限元模型边界条件：如图8所示，将法兰面A5，A15，A20，A38，A42定义为全

10、约束。由于ANSYS本身没有统一单位，需自定义，而导入的CAD模型默认长度单位为mm，因此极限风速条件下机舱罩单侧受单位面积极限风载，应换算单位为，施加到如图9所示的面A11上，然后进行有限元求解计算。五、基于ANSYS的机舱罩三维有限元分析仿真根据上述方法，可得到基于ANSYS的大型兆瓦级风电机组机舱罩受极限风载时，形变位移和应力分析的三维仿真结果，具体如下。1.形变位移分析仿真云图如图10所示，该机舱罩最大形变为21.419mm。2.应力分析三维仿真云图如图11所示，图a、图b、图c、图d分别按第一强度理论(最大拉应力理论)、第二强度理论(最大伸长线应变理论)、第三强度理论(最大剪应力理论)、第四强度理论(形 状改变比能理论)得到该机舱罩最大应力计算值，分别为：27.857MPa、13.216MPa、-28.173MPa和32.999MPa。六、结论根据上述形变位移和四种强度理论分析仿真结果可知：上机舱罩简化模型整体刚度较好，最大形变位移仅为21.419mm， 而按四种强度理论得到的应力分布都较均匀，得到最大应力值依次为28.857MPa、13.216MPa、-28.173MPa和32.999MPa，均远远小于机舱罩玻璃钢材料的最低许可拉伸