一、機組越“大”，夢(mèng)想越大，挑戰越大

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。據國際能源署（IEA）數據統計，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”計劃以來(lái)，風(fēng)電行業(yè)迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)，當前我國風(fēng)電新增裝機量位列全球首位。

面對有限的土地資源，如何實(shí)現效益最大化？答案正蘊含在問(wèn)題之中——“大”。為了降低風(fēng)電的平準化度電成本，節省風(fēng)電項目土地資源，風(fēng)電大型化趨勢正在加速。國內主流風(fēng)電整機廠(chǎng)商紛紛發(fā)布最新海陸機型——

風(fēng)電機組發(fā)展趨勢

將風(fēng)電機組與風(fēng)機葉片“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)機系統動(dòng)力學(xué)問(wèn)題：不斷增大的風(fēng)電機組及風(fēng)機葉片帶來(lái)了全新的風(fēng)機系統動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，采用傳統的線(xiàn)性葉片模型來(lái)模擬風(fēng)機葉片的建模方法已經(jīng)完全不能滿(mǎn)足當前大尺寸葉片模型的動(dòng)力學(xué)建模要求，國內某風(fēng)機主機廠(chǎng)葉片計算中，長(cháng)度110米的復材葉片，葉尖最大變形超過(guò)了35米，非線(xiàn)性特征非常明顯，因此整個(gè)風(fēng)機行業(yè)迫切需要建立精確的整機動(dòng)力學(xué)模型對大型風(fēng)機系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能評估。

2、葉片的非線(xiàn)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)鍵參數優(yōu)化、動(dòng)應力及疲勞分析等。由于葉片的剛度和質(zhì)量分布在長(cháng)度方向上極其不均勻，葉片具有典型的非線(xiàn)性特性。尤其隨著(zhù)葉片長(cháng)度的增加，非線(xiàn)性特性愈發(fā)明顯。為了仿真和評估大尺寸風(fēng)機的動(dòng)態(tài)特性，建立的整機仿真模型必須考慮葉片的非線(xiàn)性特性。

風(fēng)機系統載荷計算：

Abaqus 聯(lián)合Simpack
“快準狠”正中靶心

達索系統先進(jìn)的多體動(dòng)力學(xué)分析工具Simpack作為風(fēng)電行業(yè)標準的風(fēng)機多體建模工具，在國內外的各個(gè)風(fēng)機主機廠(chǎng)如維斯塔斯，GE，金風(fēng)，遠景等都得到廣泛的應用，如何讓仿真更深入細致，更接近真實(shí)世界場(chǎng)景，比如考慮結構非線(xiàn)性大變形的多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，達索系統給出了完美的答案。

在Simpack中，建立非線(xiàn)性葉片有兩種方法，即非線(xiàn)性離散梁方法和Abaqus非線(xiàn)性縮減方法。傳統的非線(xiàn)性離散梁方法基于節點(diǎn)方法，自由度數量多，求解速度慢，很難滿(mǎn)足現代風(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(xiàn)性梁結果更準確，卻使用線(xiàn)性梁代替非線(xiàn)性梁建立葉片模型，這樣降低了仿真的準確性。

Simpack中非線(xiàn)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(xiàn)性接口?；谶_索系統的結構非線(xiàn)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(xiàn)性縮減，保留了葉片部件的幾何非線(xiàn)性特性，然后導入到Simpack中。由于非線(xiàn)性縮減后葉片部件的自由度大大減少，在Simpack中的計算效率會(huì )顯著(zhù)提升。

基于Simpack和Abaqus非線(xiàn)性葉片仿真流程

基于A(yíng)baqus的非線(xiàn)性縮減柔性體方法不可不謂“快準狠”：

快：仿真速度快，所有計算都在縮減空間內進(jìn)行；而且建模方便，非線(xiàn)性柔性體生成類(lèi)似線(xiàn)性柔性體生成流程

準：結果準確，精確地復現了非線(xiàn)性靜態(tài)預分析的變形，同時(shí)具有高精度的光滑插值/外推算法用于動(dòng)態(tài)系統計算

狠：擴展性強，部件可以在剛體、線(xiàn)性柔性體和非線(xiàn)性柔性體之間切換

非線(xiàn)性葉片性能驗證

Abaqus聯(lián)合Simpack實(shí)操：

整機載荷計算中大展身手

基于A(yíng)baqus的非線(xiàn)性縮減柔性體方法在實(shí)際應用中也大大發(fā)揮了其“快準狠”特質(zhì)。對某一型號的風(fēng)電機組，通過(guò)Abaqus生成非線(xiàn)性葉片，并導入Simpack中建立風(fēng)電整機模型，進(jìn)行載荷計算，并與線(xiàn)性葉片整機模型的結果進(jìn)行對比。

Simpack風(fēng)機載荷計算

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

仿真結果的曲線(xiàn)表明，相比線(xiàn)性葉片模型的結果，非線(xiàn)性葉片模型的葉尖x向位移的數據增大了20%（1.3m），葉根扭矩的數據增大了25%（2MNm）。采用非線(xiàn)性葉片模型更準確地模擬了風(fēng)機系統的風(fēng)載，提供更準確的風(fēng)載動(dòng)力學(xué)結果。

線(xiàn)性和非線(xiàn)性葉片仿真結果對比

達索系統深耕多年，始終緊跟行業(yè)風(fēng)向，持續輸出卓越方案。針對風(fēng)機大型化帶來(lái)的大尺寸葉片的應用趨勢，達索系統推出了基于A(yíng)baqus和Simpack的聯(lián)合解決方案破局仿真瓶頸。利用Abaqus強大的非線(xiàn)性功能，提高了模型的精度和結果的準確性，減少了建模工作量，更大大降低了計算成本，實(shí)現了大型風(fēng)機大尺寸葉片極端載荷仿真“快準狠”，解決了行業(yè)面臨的仿真挑戰，并正在國內外的大型頭部風(fēng)機主機廠(chǎng)中進(jìn)行深入應用。

達索系統大型風(fēng)機大尺寸葉片極端載荷仿真方案

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