一、機組越“大”，夢想越大，挑戰(zhàn)越大

風能作為可再生能源的主力，越來越成為能源市場中成本最低的技術選擇之一。據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，風力發(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，風電行業(yè)迎來爆發(fā)式增長，當前我國風電新增裝機量位列全球首位。

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

風電機組發(fā)展趨勢

將風電機組與風機葉片“變大”，不只是簡單地將尺寸放大，兩個棘手的問題隨之浮出水面：

1、風機系統(tǒng)動力學問題：不斷增大的風電機組及風機葉片帶來了全新的風機系統(tǒng)動力學問題，采用傳統(tǒng)的線性葉片模型來模擬風機葉片的建模方法已經(jīng)完全不能滿足當前大尺寸葉片模型的動力學建模要求，國內(nèi)某風機主機廠葉片計算中，長度110米的復材葉片，葉尖最大變形超過了35米，非線性特征非常明顯，因此整個風機行業(yè)迫切需要建立精確的整機動力學模型對大型風機系統(tǒng)進行動態(tài)性能評估。

2、葉片的非線性特性：風電行業(yè)通常使用Simpack軟件進行多體動力學建模和仿真。Simpack不僅用于載荷分析、傳動鏈分析、極端工況仿真等，還可用于關鍵參數(shù)優(yōu)化、動應力及疲勞分析等。由于葉片的剛度和質量分布在長度方向上極其不均勻，葉片具有典型的非線性特性。尤其隨著葉片長度的增加，非線性特性愈發(fā)明顯。為了仿真和評估大尺寸風機的動態(tài)特性，建立的整機仿真模型必須考慮葉片的非線性特性。

風機系統(tǒng)載荷計算：

Abaqus 聯(lián)合Simpack
“快準狠”正中靶心

達索系統(tǒng)先進的多體動力學分析工具Simpack作為風電行業(yè)標準的風機多體建模工具，在國內(nèi)外的各個風機主機廠如維斯塔斯，GE，金風，遠景等都得到廣泛的應用，如何讓仿真更深入細致，更接近真實世界場景，比如考慮結構非線性大變形的多體動力學問題，達索系統(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)點方法，自由度數(shù)量多，求解速度慢，很難滿足現(xiàn)代風電企業(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果更準確，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確性。

Simpack中非線性葉片兩種建模方法

為了解決這個問題，Simpack新開發(fā)了Abaqus的非線性接口?；谶_索系統(tǒng)的結構非線性分析工具Abaqus，模擬大尺寸葉片在極端風載下的大變形，軟件對葉片模型進行非線性縮減，保留了葉片部件的幾何非線性特性，然后導入到Simpack中。由于非線性縮減后葉片部件的自由度大大減少，在Simpack中的計算效率會顯著提升。

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“快準狠”：

快：仿真速度快，所有計算都在縮減空間內(nèi)進行；而且建模方便，非線性柔性體生成類似線性柔性體生成流程

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

狠：擴展性強，部件可以在剛體、線性柔性體和非線性柔性體之間切換

非線性葉片性能驗證

Abaqus聯(lián)合Simpack實操：

整機載荷計算中大展身手

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

Simpack風機載荷計算

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

仿真結果的曲線表明，相比線性葉片模型的結果，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確地模擬了風機系統(tǒng)的風載，提供更準確的風載動力學結果。

線性和非線性葉片仿真結果對比

達索系統(tǒng)深耕多年，始終緊跟行業(yè)風向，持續(xù)輸出卓越方案。針對風機大型化帶來的大尺寸葉片的應用趨勢，達索系統(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強大的非線性功能，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，實現(xiàn)了大型風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(zhàn)，并正在國內(nèi)外的大型頭部風機主機廠中進行深入應用。

達索系統(tǒng)大型風機大尺寸葉片極端載荷仿真方案

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