風機設計
關注創建者：犀利CAE 創建時間：2015-12-15
風機設計的視頻教程
SACS 在海上風機基礎結構設計中的應用
1、影響海上風機基礎設計效率與成本的關鍵因素 ① 如何提高風機廠商與基礎設計方的數據迭代傳輸效率？ ② 如何對基礎結構所受的環境載荷與風機載荷進行耦合設計？ ③ 如何對數以千計的時程載荷工況進行選擇優化以提高計算效率？ ? 如何對結構尺寸進行快速優化以滿足規范設計要求？
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風機設計的實例教程
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。
展開 1. samcef wind turbines 介紹
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。
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。
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。
二、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。
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展開 1. samcef wind turbines 介紹
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。
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?，m)等知名風機廠商。
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。
二、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。
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展開 海上風機平臺作為一種能源勘探平臺，在實際建造之前需要模擬整個平臺的各種力學性能，包括靜力學分析、動力學分析、疲勞分析等。分析過程有助于模擬平臺在各種工況條件下的結構性能，并輔助設計的改進和驗證。
主要技術挑戰：
l 平臺類型較多，實際模型較為復雜；
l 邊界條件復雜，包括風載荷、波浪載荷、風機載荷等；
l 海底情況復雜，需要考慮地質因素；
解決方案：
l 用pipe單元模型模擬實際管道，簡化建模難度；
l 對各種類型的載荷進行分類梳理，視工況條件施加；
l 提供海況參數和地質參數模擬實際海洋環境；
l 為整套流程提供可視化界面，包括前處理、邊界條件施加、求解和后處理；
結論：
l 通過計算模板的形式整合整個計算流程，分析覆蓋靜力學、動力學、疲勞等；
l 平臺類型包括單樁、水下多樁、水上三樁、高樁承臺和導管架。
應用價值：
l 海上風機設計平臺模板為該種類型的平臺設計提供了仿真分析的整體流程，可視化界面操作方便，可直接生成分析報告，使專業的仿真分析更好地和設計相結合，服務于設計。
展開 工采網代理的結冰傳感器-MDC-ICE是專門針對風機葉片覆冰所設計的結冰傳感器，通過冰、水與空氣介電常數的變化，可實時監測葉片結冰狀態。傳感器集成了專用數字電容傳感芯片MDC04、MCP61及高精度數字溫度芯片M601；內嵌算法增強有效判斷環境的結冰情況，可同時提供側面及底面覆冰電容、環境溫度、冰水狀態判斷、冰層厚度、雨量大小等信息。
MDC-ICE提供485接口，產品形態如下圖所示。傳感器兩翅構成對平面電容C1，在兩翅之間的底面構成另一個電容C2，可以用于覆冰的判斷。傳感器四角有四個安裝耳（直徑φ5mm），用于固定在支持架上，建議傳感器水平放置固定。
接口說明：
主要性能：
溫度范圍：-40℃~+85℃
供電電壓：5V~36V
防水等級：IP67
工作功耗：2.8mA@12V
可檢測冰厚范圍：≤30mm
測量精度：2mm
通訊接口：RS485
產品尺寸：265mm*150mm*50.6mm
連接線規格：4 芯屏蔽線，外徑 6.7mm，線長標準 15m
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</p><p> 值得關注的是，中望軟件仿真研發中心的研發總監梁銳博士，在仿真論壇深入介紹了中望仿真技術在電力行業的具體應用實例，包含了變壓器設計校核、風電選址和風機排布設計、桿塔設計校核、電子散熱、燃煤工藝流程優化、電機設計等多個方面的仿真解決方案和設計思路。
輸入文件內容框架以及后處理相關過程進行介紹：
一、HAWC2官網內容
二、HAWC2的安裝與調用
三、HAWC2輸入文件的內容框架
四、算例的可視化與后處理
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