來源：Samtech    作者：張旗利  葉洎沅      
關鍵字：高精度整機模型  風機設計  

在風機行業面臨嚴峻挑戰的今天，參數化的高精度整機模型及其背后的設計理念對風機行業具有非常重要的意義。

1.風機設計與制造行業面臨的挑戰

       風能是世界上發展最快的新能源之一，然而其核心行業一一風機設計與制造一一在經過了過去十年的快速發展之后開始面臨巨大的挑戰。對風機制造廠商來講，一方面它們依然需要縮短研發周期以快速推出產品并占領市場；另一方面中標的上網電價由于競爭顯著降低，從而大幅度壓縮了風機廠商的利潤空間并迫使它們設法降低成本；此外，現有風機產品的可靠性也廣受發電企業的質疑。

       風能行業的另一個重要參與者一一認證機構也同樣面臨一個困境。一方面認證機構希望通過幫助風機廠商發現問題并加以改進，從而為整個行業創造價值；而另一方面認證機構也發現現有的認證方式還不足以達到理想的效果，例如，很多情況下通過認證且被認為具有超過20年壽命的風機會在一兩年時間內就發生各種失效，為此認證機構不得不經常修訂認證標準，并要求更高的安全系數及更多的計算，然而這種方式又導致風機制造商的成本增加和開發周期的延長。

2.當前風機設計流程中存在的問題

       為了擺脫上述困境，風機制造廠商和認證機構都開始采用大量的虛擬設計和仿真技術手段，然而經過多年實踐，問題依然存在。一個典型的現象是，許多零部件一一例如一個標準的主軸承——盡管其在靜力和疲勞分析中被認為具有至少20年的壽命，而且其在其他機型上使用狀態良好，卻在使用一兩年后發生失效。問題不在于靜力和疲勞分析本身，問題在于負責載荷分析和結構設計的部門在設計流程上發生了脫節，雙方在設計時都不得不進行大量的假設，而這些假設往往是不合適的。另一種典型的研發流程脫節現象發生在控制程序設計和結構設計中，控制程序的設計人員必須假設給定載荷工況下的結構響應是真實的，然而不幸的是，結構部門經常采用的剛性結構運動仿真手段并無法給出真實的結構響應。

       風機是承受瞬態空氣動力學激勵的大型柔性機電系統（包含柔性部件、連接和控制系統），各部件之間相互作用彼此影響，風機設計必須將各個部件和各個系統之間的各種耦合效應考慮在內。然而，目前市場上主流的設計流程并無法精確地對這些耦合效應進行評估。

       同時要承認的是，所有這些現象或者問題不應該歸罪于任何個人或者團隊，在過去幾十年中制造企業和認證機構雖然普遍意識到了問題，但是由于市場上一直缺乏相應的解決方案，從而也一直也無可奈何。

3.參數化高精度整機模型的創新解決方案

       綜合以上分析，風機制造廠商和認證機構都迫切需要一個能夠充分考慮風機各個系統之間相互作用的高精度且一體化的仿真設計解決方案。正是由于這樣的市場需求，比利時Samtech公司將其40多年的有限元軟件開發經驗、20多年的柔性機械系統仿真經驗和10多年的風機設計經驗集成在一起獨創了Samcef for Wind Turbine(S4WT)系統，它定位于風機系統的正向設計解決方案，在風機系統的整個開發周期中（包括概念設計、詳細設計、原型或改型機開發、認證、故障診斷等）提供一個參數化的高精度仿真模型，從而將原本脫節的設計流程關聯起來。這一創新的設計方法已經在歐洲、韓國等地區獲得了許多企業的認可，例如Alstom Power，Repower和Areva（阿海琺）等知名風機廠商。

 
圖1 S4WT參數化高精度整機模型的創新解決方案

4.參數化高精度整機模型的核心價值

       總體上說，參數化高精度整機模型具備以下兩個特點：

       一、全耦合的一體化。依靠全耦合一體化的高精度整機模型，風機廠商可以得到精確的動態載荷和結構響應，從而優化風機結構和控制系統設計。而對于認證機構而言，利用更加精確的動態載荷和結構響應分析可以對現有的認證規范進行更好的評估和改善，從而設定更加合理的安全系數，從而使整個風機行業都為之受益。

       風機作為承受瞬態空氣動力學激勵的大型柔性機電系統，存在高度動態效應，要掌握風機真實的動態行為，就必須充分考慮氣動彈性、機械系統及控制系統的各種耦合效應。S4WT創新性地采用基于非線性有限元理論模擬柔性多體動力學系統和基于動量一葉素理論來表征空氣動力學、并與控制系統相聯的全耦合、一體化方法，來構建包含部件柔性、非線性及部件之間（包含機電系統之間）相互作用的高精度整機模型，從而準確模擬風機動態行為，提高風機設計可靠性。

 
圖2 全耦合一體化方法構建參數化高精度整機模型

       一、參數化建模。高精度整機模型的參數化建模方式，可以幫助設計者可以非常方便地對不同設計方案進行對比驗證，或基于原有設計進行風機改型設計，而無需進行繁雜的模型重構，從而可以大幅縮短產品開發周期，并降低開發成本。此外通過模型參數化和報告模板定制，還可以大大減少認證機構的手工勞動并提升效率。

       為快速模擬不同結構的風機或使風機的高精度整機模型能應用于結構優化的循環過程，S4WT中提供標準參數化模型庫供用戶選擇，用戶只需直接調用并依據實際情況調整參數，再結合特殊的用戶自定義部件，即可輕松實現參數化高精度整機建模。另外，用戶還可根據企業實際機型訂制開發參數化高精度模型，從而更加方便進行優化設計及風機改型的需要，只需一次投入，即可長期受益。

       如下圖采用參數化建模方法，在S4WT中用戶可以輕松實現不同傳動系統設計方案的轉換、對比分析及優化設計。

 
圖3 參數化模型輕易實現不同的轉子支撐方案的轉換和對比分析

5.參數化高精度整機模型應用案例

       某風機廠商的原型樣機試驗時發現傳動系統在28.5Hz下有嚴重的共振現象，SAMTECH公司幫助該風機廠商在SAMCEF for Wind Turbines軟件中構建風機參數化高精度整機模型，并進行分析和故障診斷。

 
圖4 在S4WT軟件中構建參數化高精度模型并做模態分析

       通過整機模態分析得到了系統在28.5Hz附近(28.21Hz)的模態特征頻率及模態振型，并找出在該階頻率下模態應變能最大，即對系統振動貢獻最大部件為主軸和一級行星架齒輪的襯套。通過整機系統級瞬態分析，發現產生振動的原因在于齒輪嚙合位置變化產生的剛度變化引起齒輪振動，進而通過軸承傳遞到整個傳動系統。

 
圖5 參數化高精度整機模型瞬態分析

       通過對原型樣機做相關性分析，通過構建高精度整機模型進行分析，成功發現并解決了該風機廠商故障問題。如果不建立高精度整機模型，是無法實現以上分析的。當然要是在設計階段就能進行這樣的分析，就能避免類似的故障問題的發生。

6.結論

       采用基于非線性有限元、柔性體結構動力學、空氣動力學及控制的全耦合方法，并利用參數化建模構建風機的參數化高精度模型，可以充分考慮風機各系統和部件之間各種非線性的耦合效應，并使原本脫節的風機設計流程關聯起來，從而準確模擬風機動態行為。這一全新的設計理念可以幫助風機廠商縮短開發周期并提高產品質量，同時為認證機構評估和改善認證規范提供了有力的武器。在風機行業面臨嚴峻挑戰的今天，參數化的高精度整機模型及其背后的設計理念對風機行業具有非常重要的意義。