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基于HyperWorks二次开发在风机塔筒分析中的应用

2022/4/20    来源:Altair    作者:刘睿哲  赵迪      
关键字:风力发电机塔筒  HyperWorks  流程自动化  CAE仿真分析  
本文利用Altair公司HyperWorks的二次开发接口,通过调用和编译TCL语言,开发了风机塔筒的有限元参数化建模、划分网格及分析文件导出程序,从而使风机塔筒有限元模型前处理流程自动化,并与传统方法作对比,对该程序进行验证。研究结果表明,该程序能够有效提高工作效率和准确性,为类似问题的解决提供了一条新途径。
1 概述

       近年来,国家相关主管部门对风电项目审批、风电并网、风电产业监测等问题,采取了有针对性的政策措施,使中国风电产业继续保持平稳较快发展。在风力发电机组中,塔筒的作用是支撑机舱和叶轮,使这些部件在设计的高度运行,以获得足够的风能,从而使发电机正常运转。作为风机的重要组成部分,需要严格按照行业规范标准对塔筒进行刚强度及疲劳校核分析,以保证设计结构的安全性、可靠性。

       根据规范要求,门段焊缝的形状不规则,存在门洞的缺口效应,所以其应力状态比较复杂,因此,需采用有限元方法进行分析。传统的建模方法是先在CAD软件中建立塔筒模型,然后输出stp、igs、stl等格式文件再导入到HyperWorks中进行前处理分析,然而,在实际结构设计中,为满足设计要求,各焊接段壁厚以及焊段高度经常发生变化,以往每一次结构变化都需要重新划分网格,使得整个研发周期过长,而且容易出现操作失误,不易追溯,延误分析时间。为了高效、快捷地建立风机塔筒有限元模型,笔者对系列机型塔筒模型的结构进行了全面的研究,借用HyperWorks自带二次开发接口,通过调用和编译TCL语言,实现批处理建模、自动划分网格及分析文件导出等操作,从而使风机塔筒有限元模型前处理流程自动化,有效地提高工作效率和准确性。

2 有限元模型的建立

       本文研究的塔筒采用圆筒式的钢材料塔筒,所用材料为Q345,弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7850kg/m3。在建立有限元模型的时,为了保证圣维南原理的适用,要求加载位置至少距离门段顶端两倍塔底直径。实际计算时,为了载荷便于获得和操作方便,一般取第一法兰段进行计算,如图1(a)所示;同时为了保证计算的精确,在门段附近网格局部加密,其次,对于一般分析来说,疲劳分析网格的要求相对较高,从模型的建立来说,一般是先建立疲劳模型,而后不用修改可以直接用于强度分析,将塔筒壁进行切割,分别距离几何交角点0.4t和1.0t,如图1(b)所示(注:t为门框或门框所在塔壁厚度的最小值)。

分析模型及局部网格

图1 分析模型及局部网格

       在分析塔筒强度过程中,根据分析需要设定了塔顶坐标系cys1。所有载荷的施加均采用塔顶坐标系cys1。门段开口朝向迎风方向,X轴平行与门段开口,并背对门段,Z轴垂直向上,与塔筒轴线平行,Y轴水平方向,与X轴垂直。塔门段顶部中心建立质量单元,加载方式采用KINEMATIC COUPLING进行加载,将6个分量的载荷耦合到质量单元上,如图2(a)所示。对塔筒底部假体施加位全移约束条件、约束所有的自由度,如图2(b)所示。

载荷与边界条件

图2 载荷与边界条件

3 二次开发程序

       3.1 程序结构

       HyperMesh在运行过程中会将用户的操作过程,比如对模型赋予材料属性,施加载荷及边界条件等以代码的形式保存在command.cmf文件中,利用这个特性在进行二次开发时很多时候都从command.cmf文件开始。然而,对于从CAD软件导入进来的模型来说,一个模型只对应一段特定的代码,当模型发生改变,这些代码将不再生效。因此,需要借助TCL语言对command.cmf文件中的代码进行编译,使其具有一定的逻辑性,从而对不同的结构模型,都能自动完成前处理任务,实现操作流程自动化,程序结构如图3所示。

程序结构图

图3 程序结构图

       3.2 程序系统功能

       (1)用户输入焊段个数,程序自动弹出交互界面提示用户输入塔筒关键参数,包括壁厚,焊段高度,门框厚度及载荷值。

       (2)输入参数后,程序自动调用TCL代码文件,完成塔筒模型网格划分、材料属性赋予以及载荷边界条件的施加。

       (3)将网格文件自动转换为有限元求解器需要的inp文件并导出。

       3.3 主要子程序设计

       为了使门框附近网格满足规范要求,实现沿门框外边缘方向按0.4t、1t均匀分布,需要利用TCL条件语句获得门框或门框处塔壁壁厚的最小值,该控制命令如图3所示,其中参数tk_door、tk_tower、dis_mesh分别表示门框厚度、塔壁厚度、网格便宜距离。

条件控制语句

图4 条件控制语句

4 实例分析

       以2MW某型号风机塔筒作为研究对象,进行塔筒极限强度计算分析,采用两种方法进行模型前处理,一种是采用传统方法,即将塔筒CAD模型转化为stp格式文件再导入到HyperMesh中划分网格并生成分析文件;另一种方法是采用本文建立的二次开发程序完成前处理任务,最后比较两种方法的计算结果。为了保证比较结果的合理性,两种方法采用相同的载荷数据,极限载荷如表1所示,并且要保证相同的网格质量,网格质量如表2所示。求解器选用ABAQUS软件。
表1 有限元分析极限载荷

有限元分析极限载荷

表2 网格单元质量统计

网格单元质量统计


       对塔筒门进行极限强度分析时,应力最大位置出现在门框和塔筒壁焊接的拐角处,由于拐角处应力不准确,通常不考虑拐角处的应力。因此,笔者通过编辑TCL语言,加入相关代码,将关心部位的网格放置在一个固定组件中,在计算完成后,只观察这个组件即可。

       采用传统前处理方法获得的计算结果如图3(a)所示,运用本文二次开发程序获得的计算结果如图3(b)所示。

门框应力云图

图4 门框应力云图

       通过对结果比较分析发现,采用传统前处理方法获得的最大应力值为240.4MPa,采用本文二次开发程序做前处理获得的结果为240.3MPa,两种方法获得的结果非常相近,误差不到1%,可以证明本文二次开发程序是可行的,而且工作效率更高。

5 结论

       本文基于HyperWorks二次开发平台,通过调用和编译TCL语言,实现了对风机塔筒有限元前处理流程自动化,并通过与传统方法进行对比,验证了此程序的可行性。该程序具有以下优点:

       (1)直接在HyperMesh中进行塔筒建模,将塔筒关键结构参数,如焊段高度、塔壁壁厚、门框厚度、门框宽度参数化处理,大大缩短了建模时间,提高了工作效率,且建模过程准确,不易出现错误。

       (2)很多公司的仿真经验都存放在个别工程师的人脑里,随着工程师的流动,经验也会随之流失。采用流程自动化将经验用代码形式保存,从而解决了经验流失问题。
责任编辑:程玥
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