Практические учебники по ансису для структурного анализа ветровых турбин

Определение материальной собственности

Точное определение свойств материала имеет решающее значение для надежных результатов структурного анализа.Свойства материала присваиваются каждому компоненту, причем общие материалы используются в ветровых турбинах, включая композиты для лопастей, сталь для башни и различные сплавы для других компонентов, с основными свойствами, которые необходимо определить, включая модуль Янга, соотношение Пуассона, плотность, прочность на выходе и свойства усталости.

Свойства композитных материалов: Лопасти ветряных турбин обычно используют композитные материалы с армированным волокном. Анализируемые материалы включают в себя полимер с эпоксидным стеклом, углеродным волокном, кевларом и углеродным волокном. В ANSYS композиционные материалы требуют определения ортотропных или анизотропных свойств, включая направленный упругий модуль, модуль сдвига и соотношения Пуассона.

Для композитных ламинатов вам нужно будет определить:

• Свойства материала (волоконные и матричные характеристики)
• Углы ориентации клетчатки для каждого слоя
• Толщина плая и последовательность укладки
• Свойства интерфейса между пли
• Критерии неисправности

Свойства металлического материала: Тауэрные конструкции и механические компоненты обычно используют стальные или алюминиевые сплавы.Определить свойства изотропного материала, включая модуль Янга, соотношение Пуассона, плотность, прочность выхода, конечную прочность и коэффициенты теплового расширения. Для анализа усталости включают данные кривой S-N или параметры жизни штамма.

Материальное тестирование и валидация: По возможности используйте свойства материалов, полученные в результате фактического тестирования материалов, которые вы будете использовать в производстве. Общие значения справочника предоставляют отправные точки, но проверенные свойства учитывают производственные процессы, изменения качества и экологические эффекты, характерные для вашего применения.

Определение граничных условий и ограничений

Правильное определение граничных условий гарантирует, что ваша модель точно представляет условия монтажа и эксплуатации в реальном мире. Ограничения должны реалистично имитировать условия поддержки турбины и рабочую среду.

Корневые ограничения лезвия: Корневое соединение лезвия с концентратором обычно включает болтовые соединения. Моделируйте это как фиксированную поддержку, если жесткость соединения очень высока по сравнению с гибкостью лезвия, или используйте более сложные модели соединений, если соответствие соединения влияет на результаты. Рассмотрите возможность использования контактных элементов или функций притяжения болта для детального анализа корня.

Фиксируемость базы башни: Соединение башни с основанием может быть смоделировано в качестве фиксированной поддержки предварительного анализа. Для более точных результатов, особенно в динамическом анализе, рассмотрим гибкость фундамента с помощью пружинных элементов или моделирования подструктуры для представления взаимодействия грунтовой структуры.

Симметрия и периодичность:] Использование периодических граничных условий для моделирования нескольких лопастей. При анализе одного лопасти из многолопастного ротора периодические граничные условия могут уменьшить размер модели при сохранении точности. Этот подход особенно полезен для анализа только ротора, где взаимодействия лопасти с лопастями минимальны.

Методы применения Load

Ветровые турбины имеют несколько типов нагрузки, которые должны быть правильно представлены в модели анализа.

Аэродинамические нагрузки: Они испытывают как силу подъема, так и силу сопротивления, и для получения максимальной мощности желательны более высокие коэффициенты подъема и более низкое сопротивление. Аэродинамические нагрузки могут применяться в качестве распределенных нагрузок давления на поверхности лопастей или в качестве концентрированных сил на участках лопастей, рассчитанных по теории импульса элемента лопасти (BEM) или CFD-анализу.

Гравитационные эффекты: Применяют гравитационное ускорение для учета собственного веса всех компонентов.В анализе вращающихся лопастей гравитационные нагрузки изменяются циклически по мере вращения лопасти, создавая условия усталостной нагрузки.

Центробежные силы: Для вращающихся компонентов центробежные эффекты могут быть значительными. В ANSYS применяют скорость вращения для генерации центробежных сил тела. Эти силы создают растягивающие напряжения вдоль размаха лопасти и влияют на естественные частоты.

Тепловые нагрузки: Изменения температуры влияют на свойства материала и создают тепловые напряжения. Определить распределение температуры и коэффициенты теплового расширения для анализа с тепловой структурой.

Нагрузки и комбинации: Проектные нагрузки определяются из различных нагрузочных случаев, указанных в международных спецификациях IEC61400-1 и правилах GL для системы преобразования энергии ветра. Анализ нескольких нагрузочных случаев, включая нормальную работу, экстремальные условия ветра, аварийное отключение и условия неисправности. Комбинировать нагрузки в соответствии со стандартами проектирования для выявления сценариев критической нагрузки.

Сетчатые стратегии анализа ветровых турбин

Основы генерации меш

Сетка является важным шагом, включающим создание конечной элементной сетки для геометрии, с тонкой сеткой для жидкостного домена в CFD, особенно вокруг лопастей и в области пробуждения, для точного захвата аэродинамических эффектов, и аналогично, сетка FEA генерируется для структурных компонентов, с более тонкими элементами в областях, которые, как ожидается, будут испытывать высокое напряжение или деформацию.

Качество вашей конечной сетки элементов напрямую влияет на точность решения, поведение конвергенции и вычислительную эффективность. Плохое качество сетки может привести к неточным результатам, трудностям конвергенции или даже отказу решения.

Типы элементов для компонентов ветровых турбин: Выберите подходящие типы элементов на основе геометрии компонентов и требований к анализу. Для оболочек лопастей используйте элементы оболочки (SHELL181 или SHELL281 в ANSYS), которые могут эффективно моделировать тонкостенные композитные структуры. Для твердых компонентов, таких как концентраторы или секции башни, требующие оценки напряжения сквозной толщины, используйте твердые элементы (SOLID185 или SOLID186).

Плотность и уточнение сетки:] Генерировать более тонкую сетку в областях с высокой концентрацией напряжения, таких как корни лопастей и башенные соединения. Эти критические области требуют достаточной плотности элементов для точного захвата градиентов напряжения. Используйте элементы управления уточнением сетки для создания плавных переходов между мелкими и грубыми сетчатыми областями, избегая резких изменений размера элемента, которые могут вызвать искусственные концентрации напряжения.

Методы сетки клинков

Лопасти ветряных турбин представляют уникальные проблемы сетки из-за их сложной геометрии, композитной прокладки и больших пропорций сторон.

Моделирование элементов оболочки: Механическая модель лопасти ротора с композитной кожей, обладающей жесткостью, была разработана и реализована в качестве модели конечного элемента, используя механическую модель лопасти ротора горизонтальной оси (HAWT) с жесткостью. Элементы оболочки эффективно моделируют кожу лопасти при захвате изгиба, мембраны и скручивании.

Определение композитного сложения: ANSYS Composite PrepPost (ACP) предоставляет инструменты для определения композитных накладок на сетках оболочки. Определяет материалы сплай, ориентации, толщины и последовательности стека. Программное обеспечение автоматически вычисляет эквивалентные свойства и отслеживает индивидуальные напряжения и деформации сплай.

Структурные детали: Поперечное сечение лезвия было усилено деревянным застеживателем с застеживателем, выбранным для работы по всему лезвию. Модели внутренних структур, таких как стрижки, шпаги и застёжки, с использованием соответствующих типов элементов и подключения. Обеспечить надлежащую передачу нагрузки между кожей и внутренними структурами через общие узлы или определения контактов.

Метрика качества сетки: Проверяйте качество сетки с использованием метрики ANSYS, включая качество элементов, соотношение сторон, искажение и соотношение Якобиана. Качество элемента цели выше 0,3, соотношение сторон ниже 20 для элементов оболочки и искажение ниже 0,8. Перед проведением анализа обращайтесь к предупреждениям о качестве.

Сетка башни и вспомогательной структуры

Тауэрские конструкции могут быть сшиты с использованием элементов оболочки для трубчатых секций или твердых элементов, когда требуется детальный анализ напряжения через толщину стенки.Для высоких башен рассмотрите возможность использования элементов пучка для предварительного анализа для снижения вычислительной стоимости, а затем уточните с оболочками или твердыми элементами для детальной оценки критических областей.

Моделирование соединений: Сплюснутые соединения, болтовые соединения и сварные швы требуют тщательной сетки. Используйте контактные элементы для моделирования болтовых фланцевых соединений, обеспечивая правильную передачу нагрузки и захват контактных напряжений. Для сварных соединений уточните сетку на сварных пальцах ног, где обычно инициируются усталостные трещины.

Исследования конвергенции сетки: Проводите исследования конвергенции сетки, чтобы обеспечить независимость решения от плотности сетки. Прогрессивно уточняйте сетку и отслеживайте ключевые результаты, такие как максимальное напряжение, смещение или естественные частоты. Когда результаты изменяются менее чем на 5% с дальнейшей уточнением, сетка обычно адекватна.

Структурный анализ в ANSYS

Статический структурный анализ рабочий процесс

Статический структурный анализ оценивает, как компоненты ветряных турбин реагируют на устойчивые нагрузки. Этот тип анализа формирует основу для большинства структурных оценок и проверки конструкции.

Настройки анализа: Настройка настроек решения, включая тип решателя (прямой или итеративный), критерии конвергенции и средства управления выходом. Для линейного статического анализа прямой решатель обеспечивает надежную конвергенцию. Для больших моделей итеративные решатели, такие как PCG (предусловленный конъюгированный градиент), снижают требования к памяти.

Нелинейные соображения: Нелинейные методологии конечных элементов в настоящее время занимают центральное место в конструкции лопастей, давая представление о структурном поведении и ускоряя итерацию дизайна. Включают геометрическую нелинейность при больших отклонениях, нелинейность материала для пластической деформации или композитного повреждения и контактную нелинейность для болтовых соединений или интерфейсов сборки.

Выполнение решения: Запустите моделирование и проверьте на предмет проблем конвергенции. Следите за предупреждениями об искажении элементов, изменениях статуса контакта или трудностях конвергенции. При необходимости настройте сетку или решатель. Для нелинейного анализа используйте шаг загрузки для постепенного применения нагрузок, повышая надежность конвергенции.

Модальный анализ динамических характеристик

Модальный анализ идентифицирует естественные частоты и формы режима, которые имеют решающее значение для предотвращения резонансных условий и понимания характеристик динамического отклика.

Вытяжка эйгензначения: Модальный анализ колебаний лопастей турбины проводился с целью получения собственного частотного спектра и форм режимов вибрации лопастей турбины, которые могут быть использованы в переходном модальном динамическом анализе. Настройка количества режимов извлечения (обычно 10-20 для компонентов ветряных турбин) и интересующего частотного диапазона.

Эффекты напряжения: Для вращающихся компонентов включают эффекты престресса от центробежных сил. Сначала выполняют статический анализ со скоростью вращения, затем используют предварительно напряжённую структуру для модального анализа. Центробежное затвердевание увеличивает естественные частоты, важный эффект для вращающихся лопастей.

Мода интерпретации формы: Изучайте формы режима для идентификации режимов изгиба (поперечно и по краям), режимы кручения и сопряженные режимы. Сравните естественные частоты с частотами возбуждения от вращения ротора (1P), прохождения лопастей (3P для трехлопастных турбин) и вихревого сбрасывания для выявления потенциальных резонансных условий.

Оценка усталости жизни

Ветровые турбины испытывают циклическую нагрузку на протяжении всего срока эксплуатации, что делает анализ усталости необходимым для обеспечения долгосрочной надежности.

Подход к анализу усталости: ANSYS предлагает несколько методов анализа усталости, включая подходы к напряжению-жизнь (кривая S-N) и напряжению-жизнь. Для компонентов ветряных турбин методы стресс-жизни обычно используются с материальными кривыми S-N из испытаний или стандартов.

Определение истории нагрузки: Определение истории времени нагрузки, представляющей условия эксплуатации. Для лопастей это включает циклические нагрузки от вращения, турбулентности ветра и эффектов тени башни. Используйте подсчет дождевых потоков для извлечения циклов нагрузки из сложных временных историй.

Накопление повреждений: Исследование прогнозирует продолжительность жизни лопастей с точки зрения циклов, с выводами, показывающими, что аномалии, расположенные вблизи регионов с высоким стрессом, имеют тенденцию уменьшать продолжительность жизни лопастей по сравнению с теми, которые расположены в районах с более низким стрессом. Применить правило Майнера для кумулятивного расчета ущерба, суммируя ущерб от различных уровней нагрузки и циклов.

Продвинутый анализ: взаимодействие с жидкостной структурой

Как динамика текучей среды, так и структурная механика имеют решающее значение, а связанные с ними взаимодействия текучей структуры одинаково важны для всестороннего анализа ветровых турбин.

Однонаправленная сцепка:] Исследована полномасштабная модель FSI для лопастей ветряных турбин посредством интеграции методов CFD и FEA, при этом аэродинамические нагрузки рассчитываются с использованием модели CFD в ANSYS FLUENT, а конструктивные реакции лопастей определяются с моделью FEA в модуле ANSYS Static Structural, а интерфейс односторонней сцепки отображает аэродинамические нагрузки от CFD до FEA в качестве граничных условий нагрузки.

Двухпутная сцепка: Для случаев, когда структурная деформация влияет на аэродинамические нагрузки (большие отклонения, флаттерный анализ), используют двустороннюю FSI-связь. Система ANSYS Связывание облегчает обмен данными между Fluent и Mechanical, итерируя до конвергенции как аэродинамических, так и структурных решений.

Вычислительные соображения: Анализы FSI являются вычислительно интенсивными. Начните с упрощенных моделей для проверки настройки и поведения конвергенции перед запуском полномасштабных симуляций. Используйте высокопроизводительные вычислительные ресурсы, когда они доступны, чтобы сократить время решения.

Последующее и последующее толкование

Анализ стресса и напряжения

Обзор результатов стресса, напряжения и смещения для выявления критических областей и проверки адекватности дизайна.Правильная интерпретация результатов требует понимания как методологии анализа, так и структурного поведения.

Меры стресса: Анализируется максимальное и минимальное значение общей деформации, напряжения эквивалента фон-миза, максимального напряжения сдвига и энергии деформации, с помощью программного обеспечения ANSYS, используемого для измерения деформации и распределения напряжения лопасти ветровой турбины, и композиционных материалов, протестированных на полную деформацию, напряжения эквивалента фон-миза, максимального напряжения сдвига и энергии деформации.

Для изотропных материалов, таких как сталь, напряжение фон Мизеса обеспечивает скалярную меру для сравнения с прочностью на выходе. Для композитных материалов исследуйте индивидуальные пли-напряжения и применяйте соответствующие критерии отказа (критерии Цай-Ву, Цай-Хилл или Пак) для оценки пределов отказа.

Перемещение и деформация: Оценка величин смещения и узоров. Для лопастей проверьте отклонение кончика на соответствие требованиям к зазору башни или других конструкций. Чрезмерные отклонения могут указывать на недостаточную жесткость, даже если напряжения приемлемы.

Энергия напряжения: Распределение энергии напряжения указывает, как энергия хранится в структуре под нагрузкой. Области с высокой плотностью энергии напряжения соответствуют областям с высоким напряжением и деформацией, помогая определить критические местоположения, требующие внимания конструкции.

Техники визуализации

Эффективная визуализация помогает сообщать результаты и выявлять потенциальные проблемы, которые могут быть упущены только в числовых данных.

Контурные участки: Используйте контурные графики для визуализации распределения напряжения, деформации и смещения по всей структуре. Настройте контурные диапазоны для выделения критических областей. Используйте согласованные цветовые шкалы при сравнении нескольких случаев нагрузки или итераций дизайна.

Векторные дисплеи: Векторные графики показывают направление и величину смещений или основных напряжений. Эти визуализации помогают понять пути нагрузки и структурные модели поведения.

Анимация: Форма анимационного режима для понимания вибрационных паттернов. Анимационная деформация под нагрузкой для визуализации структурного ответа. Анимация замедленного действия помогает выявить неожиданные ошибки поведения или моделирования.

Виды разделов: Создание разрезов секций через модель для изучения внутренних распределений напряжений, особенно важных для композитных ламинатов, где напряжения сквозной толщины и напряжения межламинарного сдвига могут вызывать расслоение.

Результаты проверки и проверки

Проверка результатов на соответствие критериям проектирования, экспериментальным данным или аналитическим решениям для обеспечения точности и надежности.

Сравнение критериев проектирования: При различных эксплуатационных условиях, включая близкую к номинальной скорость ветра, напряжение и отклонение остаются в пределах проектных стандартов, тем самым демонстрируя точность и надежность модели.Сравните максимальные напряжения с допустимыми напряжениями с соответствующими факторами безопасности.Проверьте, что отклонения остаются в заданных пределах.

Экспериментальная валидация: Предсказания конечных элементов хорошо сравнивались со статическими изгибающими и скручивающимися отклонениями лезвия и с первыми двумя естественными частотами вибрации. При наличии тестовых данных сравнивайте результаты моделирования с измерениями. Хорошая корреляция укрепляет уверенность в модели; расхождения указывают на области, требующие уточнения модели или дополнительного исследования.

Аналитические проверки: Для простых случаев нагрузки или геометрических конфигураций сравните результаты FEA с ручными вычислениями или аналитическими решениями. Эта проверка помогает выявить ошибки моделирования или неправильные предположения.

Исследования чувствительности: Проведение анализа чувствительности для понимания того, как результаты изменяются с ключевыми параметрами, такими как свойства материала, величины нагрузки или граничные условия. Эта оценка помогает количественно оценить неопределенность и определить критические параметры проектирования.

Продвинутые темы в структурном анализе ветряных турбин

Анализ сбоев композитного материала

Композитные материалы, используемые в лопастях ветровых турбин, демонстрируют сложные механизмы отказа, требующие специализированных подходов анализа.

Прогрессивное моделирование повреждений: Анализ отказов необходим для получения более реалистичного моделирования механизмов отказа до тестирования с исследованием структурного ответа с использованием глобального подхода моделирования конечных элементов и прогрессивного композитного анализа отказов, а также модели 2D-повреждений Puck, демонстрирующей направление для полного и всестороннего моделирования механизмов отказов.

Прогрессивный анализ повреждений отслеживает инициирование и эволюцию повреждений, ухудшая свойства материала по мере накопления повреждений. Этот подход более реалистично фиксирует постепенный процесс отказа, чем простые критерии первого отказа.

Критерии отказов: Для композитных материалов существуют несколько критериев отказов, каждый из которых имеет сильные и ограниченные стороны. Критерии Цай-Ву и Цай-Хилла обеспечивают простые скалярные измерения, но не различают режимы отказов. Критерии Пака и Хашина определяют конкретные режимы отказов (натяжение/сжатие волокна, натяжение/сжатие матрицы, деламинация), предоставляя более подробные прогнозы отказов.

Анализ деламинации: Композитные структуры подвержены эксплуатационным сбоям, таким как разрыв волокна, растрескивание матрицы и деламинация. Интерламинарные напряжения могут вызывать деламинацию между слоями. Используйте элементы интерфейса или модели когезивной зоны для имитации инициации и распространения деламинации. Технология виртуального закрытия трещин (VCCT) обеспечивает другой подход для анализа деламинации.

Анализ повреждений и дефектов

На протяжении всего срока эксплуатации и воздействия различных условий окружающей среды ветровые турбины испытывают различные сценарии нагрузки, которые могут привести к растрескиванию лезвия, влияя на их структурную целостность, с исследованиями, сосредоточенными на анализе срока службы лезвия, вводя преднамеренные неровности, такие как отверстия, эрозия и трещины, чтобы изучить их влияние на долговечность лезвия.

Моделирование трещин: Трещины представлены в виде полуэллиптических с использованием инструмента перелома в ANSYS Mechanical. Моделирование трещин с использованием специализированных элементов трещины или путем создания резких геометрических особенностей в сетке. Вычислите факторы интенсивности напряжения для оценки потенциала роста трещины.

Ущерб от воздействия:] Лезвия могут испытывать повреждения от удара града, ударов птиц или мусора.Модельный ущерб от воздействия как локализованная деградация свойств материала или геометрические разрывы. Оцените остаточную прочность и определите, необходим ли ремонт.

Эрозионные эффекты: Ведущая эрозия края от дождя, пыли или частиц льда изменяет геометрию лопасти и шероховатость поверхности.Модельная эрозия путем изменения геометрии лопасти в пострадавших регионах и оценки структурных последствий потери материала.

Оптимизация и итерация дизайна

Производительность WTBM-ANSYS в проведении сотен автоматизированных анализов высокой точности в процессе оптимизации показана посредством многообъективного структурного проектирования и многообъективных интегрированных тематических исследований дизайна, при этом многообъективная оптимизация и интегрированная аэродинамическая конструкция лопастей ветряных турбин являются новыми подходами, требующими значительного количества анализов высокой точности, хотя моделирование лопастей конструктора в цикле и предварительная / послеобработка с использованием специализированного программного обеспечения является узким местом анализа высокой точности и, следовательно, основным препятствием для выполнения надежной оптимизации.

Параметрическое моделирование: APDL (ANSYS Parametric Design Language) позволяет параметрическое моделирование, а также настраивать параметры предварительного процессора, решателя и постпроцессора. Создавать параметрические модели, в которых ключевые размеры, свойства материала или параметры нагрузки могут систематически изменяться. Этот подход позволяет эффективно исследовать и оптимизировать дизайн.

Оптимизация топологии: Команда siWING использовала программное обеспечение Ansys для оптимизации топологии хаба по весу, прочности и стабильности. Оптимизация топологии выявляет оптимальное распределение материала для заданных нагрузок и ограничений. Этот метод помогает создавать легкие структуры, которые поддерживают требуемую прочность и жесткость.

Многообъективная оптимизация: Конструкция ветряной турбины включает в себя конкурирующие цели, такие как минимизация веса, максимизация жесткости и обеспечение достаточной прочности. Используйте многообъективные алгоритмы оптимизации для изучения компромиссов и выявления оптимальных конструкций.

Разработка экспериментов: Систематически изменять несколько параметров проектирования с использованием методов DOE для понимания взаимодействия параметров и определения оптимальных конфигураций. Методы поверхности отклика создают суррогатные модели, позволяющие быстрое исследование дизайна без запуска полного FEA для каждой конфигурации.

Пример практического рабочего процесса: полный анализ клинков

В этом разделе представлен пошаговый рабочий процесс для проведения комплексного анализа конструкции лопастей ветровых турбин в ANSYS.

Шаг 1: Подготовка модели

Начните с импорта или создания геометрии лопасти. Для этого примера рассмотрим 50-метровый лопасти для многомегаваттной турбины. Импорт модели САПР в ANSYS Workbench, обеспечивающий правильную очистку геометрии и упрощение. Удалите небольшие функции, которые не будут влиять на структурное поведение, но усложнят сетку.

Определение свойств материала для композитной прокладки Типичная конструкция лопасти включает в себя:

• Внешняя кожа: стекловолокно армированный полимер (GFRP) с несколькими ориентации наклона
• Шляпы Spar: Углеродно-волоконный армированный полимер (CFRP) для высокой жесткости и прочности
• Стригущие паутины: GFRP с основным материалом (пена или бальза) для переноса сдвига
• Корневое усиление: дополнительные GFRP-слои для области соединения болтов

Свойства входного материала, включая упругие модули, модули сдвига, соотношения Пуассона, плотности и значения прочности для каждой материальной системы.

Шаг 2: Поколение ячеек

Создать сетку оболочки для кожи лезвия с помощью четырехугольных элементов с размером элемента-мишени 100-200 мм для большей части лезвия. Уточнить сетку у корня до 20-50 мм элементов для захвата концентраций напряжения вблизи болтовых отверстий и перехода корня в хаб.

Моделирование внутренних структур (шапки шпара и стрижки) с использованием элементов оболочки, обеспечение связи с внешней кожей через общие узлы или соответствующие определения контактов. Проверить показатели качества сетки и адресовать любые элементы с плохим качеством.

Определить композиционные накладки с использованием ANSYS ACP. Указать наклонные материалы, ориентацию волокон, толщину и последовательности укладки для каждой области лезвия. Типичный накладки включает в себя 0° плины вдоль пролета для жесткости изгиба, ±45° плины для жесткости кручения и сопротивления сдвига и 90° плины для поперечной прочности.

Шаг 3: Условия и нагрузки

Применяют фиксированную опору у корня лопасти, представляющую собой болтовое соединение с концентратором. Для более детального анализа моделируют отдельные болтовые отверстия с контактными элементами и притяжением болта.

Определить несколько вариантов нагрузки, представляющих различные условия эксплуатации:

• Нормальная работа: Аэродинамические нагрузки от номинальной скорости ветра, гравитационные нагрузки и центробежные силы от вращения
• Экстремальный ветер: Максимальная скорость ветра при проектировании с соответствующими факторами безопасности
• Чрезвычайная остановка: Нагрузки на быстрое замедление в сочетании с нагрузками ветра
• Транспорт и монтаж: Обработка грузов при производстве, транспортировке и установке

Расчет аэродинамических нагрузок с использованием теории БЭМ или распределения давления импорта из анализа CFD. Применять их в качестве распределенных нагрузок давления на поверхности лопастей или в качестве концентрированных сил на секциях лопастей.

Шаг 4: Анализ выполнения

Проведите статический структурный анализ для каждого случая нагрузки. Проверьте прогресс решения и конвергенцию. Для случаев нагрузки с большими отклонениями (экстремальные условия ветра) дайте возможность геометрической нелинейности улавливать эффекты жесткости от мембранных напряжений.

Провести модальный анализ для идентификации естественных частот и форм режима. Включить престрессовые эффекты от центробежных сил, сначала проведя статический анализ со скоростью вращения, затем используя предварительно напряжённую структуру для модального извлечения. Извлеките по меньшей мере 15-20 режимов для захвата всех значимых вибрационных паттернов.

Проводить анализ усталости с использованием репрезентативных историй времени нагрузки. Определять циклы нагрузки по эксплуатационным данным или стандартам проектирования. Применять соответствующие S-N кривые для композитных материалов и рассчитывать совокупный ущерб с использованием правила Майнера.

Шаг 5: Оценка результатов

Проанализируйте распределение напряжений для каждого случая нагрузки. Выявить максимальные места напряжения и сравнить допустимые материалы с соответствующими факторами безопасности. Для композитов оценить индивидуальные многослойные напряжения и применить критерии отказа для определения пределов отказа.

Проверить результаты смещения, особенно отклонения кончика. Обеспечить достаточный зазор башни при любых условиях нагрузки. Проверить, что отклонения не вызывают ухудшения аэродинамических характеристик.

Проверить, что естественные частоты достаточно отделены от частот возбуждения (1P, 3P и т.д.), чтобы избежать резонанса. Типичная практика проектирования требует не менее 10% частоты.

Обзор прогнозов усталости жизни. Определите места с наименьшим прогнозируемым сроком службы и оцените, нужны ли изменения дизайна. Общие критические места включают корень лопасти, максимальную область аккорда и области с геометрическими разрывами.

Общие вызовы и устранение неполадок

Вопросы конвергенции

Трудности с конвергенцией часто встречаются при анализе ветровых турбин, особенно для нелинейных проблем или моделей с контактом.

Проблемы качества сетки: Плохое качество сетки является частой причиной сбоя конвергенции. Проверяйте показатели качества элементов и области сетки с элементами низкого качества. Обеспечьте плавные переходы между мелкими и грубыми областями сетки.

Контактные проблемы: Контактная нелинейность может вызвать трудности с конвергенцией. Начните с связанного контакта для проверки настройки модели, затем переключитесь на более реалистичные типы контактов (фрикционные или без трения).

Нагрузка: Для нелинейного анализа нагружаем постепенно с помощью нескольких подэтапов.Начните с небольших нагрузок и позвольте автоматическому шагу времени регулировать размер шага на основе поведения конвергенции.

Солверный выбор: Попробуйте разные варианты решателей, если возникают проблемы конвергенции. Прямые решатели более надежны, но интенсивны для памяти. Итеративные решатели снижают требования к памяти, но могут иметь трудности конвергенции для проблем с неусловными условиями.

Моделирование ошибок и валидация

Систематическая валидация помогает выявить ошибки моделирования, прежде чем они приведут к неправильным дизайнерским решениям.

Проверки на разумность: Проводят базовые проверки на разумность результатов. Происходят ли смещения в ожидаемых направлениях? Разумны ли величины напряжения? Деформируется ли структура в физически реалистичных шаблонах? Неожиданные результаты часто указывают на ошибки моделирования.

Проверка силы реакции: Проверка того, что силы реакции уравновешивают приложенные нагрузки.Значимый дисбаланс указывает на ошибки моделирования, такие как отсутствие ограничений, неправильное применение нагрузки или численные проблемы.

Упрощенная валидация моделей: Создание упрощенных моделей с известными аналитическими решениями для проверки методов моделирования. После проверки на простых случаях применяйте те же методы к сложным производственным моделям с большей уверенностью.

Вычислительная эффективность

Модели ветряных турбин могут быть вычислительно дорогими, особенно для детального анализа лопастей или моделирования FSI.

Упрощение модели: Используйте соответствующие упрощения для уменьшения размера модели без ущерба для точности. Применяйте симметрию, когда это применимо. Используйте субмоделирование для анализа критических областей с помощью тонкой сетки при использовании грубой сетки для менее критических областей.

Параллельная обработка: Использование возможностей параллельной обработки в ANSYS для сокращения времени решения. Распределение сетки между несколькими процессорами для больших моделей. Использование параллельной совместно используемой памяти (SMP) или параллельной распределенной памяти (DMP) в зависимости от конфигурации оборудования.

Реализация: Решения для повторного использования из предыдущих анализов, когда это уместно. Для параметрических исследований используйте предыдущее решение в качестве исходного предположения для следующей итерации для повышения скорости конвергенции.

Лучшие практики и рекомендации

Документация и прослеживаемость

Сохраняйте тщательную документацию предположений анализа, методологии и результатов. Свойства материалов документов и их источники, расчеты нагрузки и выводы, обоснования граничных условий и исследования сходимости сеток. Эта документация поддерживает обзоры проектов, процессы сертификации и будущие модификации дизайна.

Создавайте аналитические отчеты, которые четко сообщают методологию, результаты и выводы заинтересованным сторонам, которые могут не быть экспертами FEA. Включите визуализации, сводные таблицы и четкие объяснения технических выводов.

Гарантия качества

Внедрить процедуры обеспечения качества для структурного анализа. Провести анализы, проверенные опытными инженерами, прежде чем использовать результаты для проектных решений. Выполнить независимую проверку критических анализов с использованием различных программных или аналитических методов.

Поддерживать контроль версий моделей, обеспечивая прослеживаемость изменений и способность воспроизводить предыдущие результаты.Использовать согласованные соглашения об именах и файловую организацию для облегчения сотрудничества и долгосрочного управления проектами.

Непрерывное обучение и совершенствование

Ансис уникально позволяет и удобно для пользователя в то же время освоить мультифизические задачи, которые неизбежно объединяются при разработке сложных систем, таких как ветряные турбины, с одним большим преимуществом, которое легко интегрирует самые разнообразные задачи и устраняет трудоемкие, подверженные ошибкам экспорт и импорт.

Участвуйте в сообществах пользователей, посещайте учебные курсы и просматривайте опубликованные исследования, чтобы узнать новые методы и лучшие практики. Проверяйте новые методы по контрольным проблемам, прежде чем применять их к производственным проектам.

Эта корреляция позволяет по возможности соотносить результаты моделирования с данными испытаний, укрепляя доверие к подходам к моделированию и выявляя области, в которых модели нуждаются в уточнении.

Отраслевые стандарты и руководящие принципы проектирования

Структурный анализ ветровых турбин должен соответствовать соответствующим отраслевым стандартам и руководящим принципам проектирования. Серия МЭК 61400 обеспечивает международные стандарты для проектирования ветровых турбин, включая случаи нагрузки, факторы безопасности и требования к проектированию. Руководящие принципы GL (Germanischer Lloyd) предлагают дополнительные подробные требования к сертификации.

В этих стандартах указываются расчетные кейсы нагрузки, охватывающие нормальную работу, условия неисправности, экстремальные явления и сценарии транспортировки/установки. Они определяют частичные факторы безопасности нагрузок и материалов, учитывающие неопределенности в прогнозах нагрузки и свойствах материалов. Соблюдение этих стандартов обычно требуется для сертификации турбин и страхования.

В руководящих принципах проектирования также рассматриваются конкретные режимы отказа, такие как пристегнутость, усталость и максимальная прочность. Они обеспечивают методологии для расчета проектных нагрузок, объединения компонентов нагрузки и оценки структурной адекватности. Знакомство с этими стандартами имеет важное значение для инженеров, проводящих структурный анализ ветровых турбин.

Будущие тенденции структурного анализа ветровых турбин

Технология ветряных турбин продолжает развиваться, что способствует прогрессу в методах и инструментах структурного анализа.

Бурниры-батареи:] Мощность морских ветровых турбин увеличивается до 15+ МВт при диаметре ротора более 250 метров. Эти массивные конструкции представляют новые проблемы в структурном анализе, требующие более сложного моделирования аэроупругих эффектов, взаимодействия фундамента и процедур установки.

Передовые материалы: Новые системы материалов, включая углеродное волокно, гибридные композиты и термопластичные матрицы, обеспечивают улучшенную производительность, но требуют обновленных методов анализа и критериев отказа. Цифровые двойники материалов, которые фиксируют изменчивость производства и ухудшение состояния окружающей среды, улучшат точность прогнозирования.

Интегрированная оптимизация конструкции: Лопасти ветряных турбин традиционно проектируются в две последовательные фазы аэродинамического и структурного проектирования, с большим количеством опубликованных работ по оптимизации лопастей на этапе аэродинамического проектирования. Будущие подходы будут все чаще интегрировать аэродинамическую и структурную оптимизацию, используя высокоточные мультифизические симуляции для изучения пространств проектирования и определения оптимальных конфигураций.

Цифровые двойники и мониторинг: Интеграция структурного анализа с данными оперативного мониторинга позволяет цифровым двойникам отслеживать фактическое состояние турбины и прогнозировать оставшийся срок службы.

Машинное обучение: Для создания суррогатных моделей, которые приближают результаты FEA с гораздо более низкой вычислительной стоимостью, применяются методы искусственного интеллекта и машинного обучения. Эти модели позволяют быстро исследовать дизайн и оптимизировать в режиме реального времени во время работы.

Заключение

Структурный анализ ветровых турбин с использованием ANSYS требует тщательного внимания к методологии моделирования, свойствам материалов, условиям загрузки и интерпретации результатов. Комплексные пакеты Ansys позволяют проводить тщательный анализ, необходимый для проверки конструкций, при этом экономя ценные ресурсы, значительно снижая потребность в длительных физических испытаниях посредством интенсивных расчетов, исследований жидкостей, структурного анализа и связанных вариантов.

Успех структурного анализа ветровых турбин зависит от понимания как программных возможностей, так и базовой физики структурного поведения. Начните с упрощенных моделей для проверки методологии, затем постепенно добавляйте сложность по мере необходимости. Всегда проверяйте результаты на соответствие критериям проектирования, тестовым данным или аналитическим решениям.

Учебники и передовой опыт, представленные в этой статье, обеспечивают основу для проведения надежного структурного анализа ветровых турбин. Однако каждый проект представляет собой уникальные проблемы, требующие инженерного суждения и адаптации этих общих принципов. Постоянное обучение, проверка на соответствие данным испытаний и соблюдение отраслевых стандартов обеспечивают, чтобы результаты анализа поддерживали безопасные, эффективные конструкции ветровых турбин.

По мере того, как ветровая энергия продолжает свой быстрый рост, спрос на квалифицированных инженеров, способных проводить сложный структурный анализ, будет только расти. Освоение ANSYS для применения ветровых турбин позволяет инженерам вносить свой вклад в эту важную технологию возобновляемых источников энергии, помогая создавать более эффективные, надежные и экономически эффективные ветровые турбины для устойчивого энергетического будущего.

Дополнительные ресурсы

Для тех, кто хочет углубить свои знания в области структурного анализа ветровых турбин с помощью ANSYS, доступны многочисленные ресурсы:

• Курсы инноваций ANSYS: Курсы, разработанные в партнерстве с университетами, служат в качестве ресурсов электронного обучения для интеграции отраслевых стандартных инструментов моделирования в курсы и предоставляют ресурсы для дополнительного обучения, обучая моделировать поток вокруг лопастей ветряных турбин, следуя сквозному рабочему процессу в Ansys Fluent.
• Техническая документация: Справочная документация ANSYS содержит подробную информацию о типах элементов, моделях материалов, процедурах анализа и лучших практиках, характерных для приложений структурного анализа.
• Промышленные конференции: Посещайте конференции по ветроэнергетике и встречи пользователей ANSYS, чтобы узнать о последних разработках, тематических исследованиях и налаживании связей с другими специалистами в этой области.
• Научные публикации: Академические журналы публикуют передовые исследования по методам структурного анализа ветровых турбин, предоставляя информацию о передовых методах и исследованиях валидации.
• Онлайн-сообщества: Онлайн-сообщества: Участвуйте в форумах пользователей ANSYS и профессиональных группах по ветроэнергетике, чтобы задавать вопросы, делиться опытом и учиться у более широкого сообщества.

Для получения дополнительной информации о моделировании и оптимизации возобновляемых источников энергии изучите ресурсы в приложениях для проектирования ветряных турбин и оставайтесь в курсе последних разработок в области вычислительной техники для устойчивых энергетических систем.