一种风机总体模型的建模及仿真方法与流程

本发明涉及一种风机总体模型的建模及仿真方法，属于风力发电技术领域。

背景技术：

目前对风机各部件进行极限和疲劳计算时，针对不同的部件往往需要建立不同的有限元模型，这使得计算量增大且重复建模；此外由于部件间的差异，在计算时载荷路径往往不完整，这使得最终的计算结果与实际结果不同。以往的模拟模型较为简单，没有考虑偏航轴承和齿轮箱的影响，而仅仅将塔顶载荷施加在主机架上，这一方面容易引起应力集中，另一方面也不符合载荷的传递路径。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种风机总体模型的建模方法，以解决目前风机所建模型无法反映真实载荷传递路径的问题，同时，本发明还提供了一种风机总体模型的仿真方法，以解决风机总体模型中相应部件强度性能计算性能差的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种风机总体模型的建模方法，该建模方法包括以下步骤：

1)建立包含有与载荷传递相关所有部件的风机总体三维模型，该模型中的相关所有部件包括轮毂、主轴、锁紧盘、主轴承、齿轮箱箱体、弹性支撑、主机架、后机架、偏航齿轮箱、偏航轴承、偏航刹车盘、塔顶法兰、偏航刹车钳和塔筒；

2)将所建立的风机总体三维模型导入有限元软件，对模型中的各部件进行网格划分和装配，建立有限元模型，并通过有限元软件设定模型中各部件的类型和材料属性；

3)将各部件之间按照绑定接触进行连接。

进一步地，所建立的有限元模型还包括对发电机和机舱柜的模拟，所述发电机和机舱柜采用Mass21单元来模拟。

进一步地，所建立的有限元模型还包括对发电机弹性支撑的模拟，所述发电机弹性支撑采用3个方向的Combine14单元来模拟，弹性支撑在不同方向上的刚度系数通过关键字设置。

进一步地，所述的偏航齿轮箱与偏航轴承之间通过Link10单元来模拟，偏航轴承滚珠使用Link10单元来模拟，主轴承滚珠使用Link8单元来模拟，Link10和Link8单元的截面属性根据偏航轴承和主轴承滚珠的刚度计算，并按照滚珠数目设定单元数目，根据偏航轴承的受力特性，通过关键字设定Link10单元只受压不受拉。

进一步地，所述轮毂中心与轮毂之间利用Beam4单元载荷伞模拟，轮毂中心载荷通过载荷伞传递到轮毂。

本发明还提供了一种风机总体模型的仿真方法，该仿真方法包括以下步骤：

A.对所建立的风机有限元模型施加载荷和边界约束条件；

B.设定单位工况，将上述模型带入设定的单位工况进行仿真计算；

所述步骤A中的风机有限元模型包含有与载荷传递相关所有部件的风机总体三维模型，是将所建立的风机总体三维模型导入有限元软件，并对各部件进行网格划分和装配得到，所述模型中相关所有部件包括轮毂、主轴、锁紧盘、主轴承、齿轮箱箱体、弹性支撑、主机架、后机架、偏航齿轮箱、偏航轴承、偏航刹车盘、塔顶法兰、偏航刹车钳和塔筒。

进一步地，所述的边界约束条件为塔底全约束。

进一步地，所述的载荷为单位载荷，载荷的传递是通过在轮毂中心建立节点，在该节点上施加单位载荷，使用Beam4单元载荷伞将该轮毂中心与轮毂3大面连接。

进一步地，所建立的有限元模型还包括对发电机和机舱柜的模拟，所述发电机和机舱柜采用Mass21单元来模拟。

进一步地，所建立的有限元模型还包括对发电机弹性支撑的模拟，所述发电机弹性支撑采用3个方向的Combine14单元来模拟，弹性支撑在不同方向上的刚度系数通过关键字设置。

本发明的有益效果是:本发明首先建立包含有与载荷传递相关所有部件的风机总体三维模型；然后将所建立的风机总体三维模型导入有限元软件，对模型中的各部件进行网格划分和装配，并通过有限元软件模拟各部件，建立相应的有限元模型。本发明采用总体建模的思想，根据载荷传递路径，将与载荷传递相关的部件均考虑在模型中，由于模型完整，提高了计算风机总体模型中相应部件强度性能的精准性。

附图说明

图1是总体模型示意图；

图2是本发明实施例中主轴承模型示意图；

图3是本发明实施例中偏航轴承模型示意图；

图4是本发明实施例中载荷伞部分模型示意图；

图中：轮毂1、主轴2、锁紧盘3、主轴承4、齿轮箱箱体5、弹性支撑6、主机架7、后机架8、偏航齿轮箱9、偏航轴承10、偏航刹车盘11、塔顶法兰12、偏航刹车钳13、塔筒14、主轴承滚珠15、偏航轴承滚珠16、发电机17、机舱柜18、发电机弹性支撑19、载荷伞20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明一种风机总体模型建模方法的实施例。

本发明采用总体建模的思想，根据载荷传递路径，将与载荷传递相关的部件均考虑在模型中，利用通用CAD软件和有限元软件进行建模，定义各个部件的材料属性和部件间的连接关系。该方法的具体实施过程如下：

1.建立包含与载荷传递相关所有部件的风机总体三维模型。

本发明以现有的CAD软件为平台建立风机总体三维模型，该三维模型包括包含与载荷传递相关所有部件，具体为：轮毂1、主轴2、锁紧盘3、主轴承4、齿轮箱箱体5、弹性支撑6、主机架7、后机架8、偏航齿轮箱9、偏航轴承10、偏航刹车盘11、塔顶法兰12、偏航刹车钳13和塔筒14。

2.将所建立的上述风机总体三维模型导入有限元软件，对模型中的各部件进行网格划分和装配，建立有限元模型。

本实施例在有限元软件里对上述部件分别划分网格，在不影响整体刚度分布的前提下，删除了模型的倒角、圆角及小孔特征。

3.设定模型中各部件的类型和材料属性。

本实施例通过有限元软件中施加相应的材料属性，其中轮毂1、齿轮箱箱体5、主机架7和偏航刹车盘11采用QT350，主轴2、锁紧盘3、主轴承4、后机架8、偏航齿轮箱9、偏航轴承10、塔顶法兰12、偏航刹车钳13、塔筒14采用钢，弹性支撑6采用各向异性材料。

4.设定各部件的关系。

轮毂1与主轴2之间、主轴2与锁紧盘3之间、主轴2与主轴承4之间、主轴承4与齿轮箱箱体5之间、弹性支承6与齿轮箱箱体5之间、弹性支承6与主机架7之间、主机架7和后机架8之间、主机架7和偏航齿轮箱9之间、主机架7和偏航轴承10之间、偏航轴承10与偏航刹车盘11之间、偏航刹车盘11与塔顶法兰12之间、偏航刹车盘11与刹车钳13之间、塔顶法兰12与塔筒14之间采用绑定进行处理。

偏航齿轮箱9与偏航轴承10之间通过Link10单元来模拟，偏航轴承滚珠16使用Link10单元来模拟，主轴承滚珠15使用Link8单元来模拟，Link10和Link8单元的截面尺寸根据滚珠的实际数量、模拟数量和滚珠的实际直径而定，偏航轴承的受力特性通过关键字设定Link10单元只受压不受拉。轮毂中心与轮毂1之间利用Beam4单元载荷伞模拟，轮毂中心载荷通过载荷伞20传递到轮毂1。

本发明增加了主轴承、偏航轴承和齿轮箱的模拟，轮毂中心载荷通过主轴承传递给齿轮箱，齿轮箱通过弹性支承传递给主机架，主机架通过螺栓传递给偏航轴承内圈，偏航轴承内圈传递给外圈，再传递给塔筒，构成一个完整的载荷传递路径，这个传递路径与实际的载荷传递是相符的，本发明考虑到偏航轴承的非线性，建立了完整的载荷传递路径，计算结果也更加准确。本发明通过在偏航齿轮箱和偏航轴承外圈之间建立受压不受拉的Link10单元实现了偏航力矩的传递。

由于发电机和机舱柜的质量对极限计算和疲劳计算均有一定的影响，在上述建模的基础上，本发明为了进一步提高模型精确性，增加了发电机17、机舱柜18和发电机弹性支撑19的模拟，其中发电机17和机舱柜18通过Mass21单元来模拟，发电机弹性支撑19通过Combine14单元来模拟，发电机17与弹性支撑6之间通过Pipe16单元来模拟。

通过上述建模过程，得到的风机总体模型如图1所示，主轴承模型如图2所示，偏航轴承如图3所示，载荷伞部分如图4所示。

本发明一种风机总体模型仿真方法的实施例

本发明的仿真方法针对采用上述实施例中所建模得到的风机总体模型，具体的仿真过程如下。

1.对所建立的风机有限元模型施加载荷和边界约束条件。

本实施例所针对的风机有限元模型如图1所示，具体的建模过程已在建模方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。边界约束条件为对塔底进行全约束；所施加的载荷可为18种单位载荷，载荷的传递是通过在轮毂中心建立节点，在该节点上施加单位载荷，使用Beam4单元载荷伞将该中心与轮毂3大面连接。

2.设定单位工况，将上述模型带入设定的单位工况进行仿真计算；

本实施例定义18种单位工况，对这18种单位工况进行计算，单位工况结果就是相应部件的极限计算和疲劳计算的基础，具体的疲劳计算和极限计算采用的是常规技术，这里不再详述。

本发明采用总体建模的思想，根据载荷传递路径，将与载荷传递相关的部件均考虑在模型中，由于模型完整，有利于精准计算风机总体模型中相应部件的的强度性能，且可同时计算多个工况，有利于节省时间、节约成本，非常适于大范围推广。