風力機輪轂的案例
【技術】天洑數據建模實施案例集錦（3）- 風力機輪轂強度快速評估
背景和概述
風力發電機主要由葉片、變槳系統、齒輪箱、發電機、偏航系統和輪轂等部分組成。輪轂是風力發電機組中的關鍵零部件，連接著葉片根部和風機主軸，葉片上承受推力、扭矩、彎矩等復雜的交變載荷，通過變槳軸承作用在輪轂上，再經由輪轂傳速給主傳動系統。因而在整個風力發電機組中，對輪轂的強度及壽命要求必須嚴格控制。
輪轂結構的強度計算屬于極其復雜的工程實際問題，利用現有的工程力學和彈性力學等理論很難準確地對承受復雜載荷的輪轂結構進行受力狀態描述，即通過理論計算難以獲得輪轂強度、壽命問題的解析解。
問題和難點
風力機輪轂的設計及強度分析存在以下的問題和難點：
1. 傳統的風電機組輪轂設計受設計人員的主觀因素影響較大，而且設計出輪轂的強度往往安全裕量過大，不滿足控制生產成本的要求；
2. 基于有限元的輪轂強度分析方法需要耗費大量的計算資源和時間，研發周期較長，這是影響輪轂強度計算的主要瓶頸；
3. 輪轂設計和優化需要依賴高精度的強度分析模型。
解決方案：基于DTEmpower的輪轂強度分析建模實戰
為了對輪轂在不同載荷下的應力情況進行快速分析，快速判斷輪轂結構的可靠性，本案例基于DTEmpower數據建模平臺，采用數據驅動的方法建立輪轂載荷和輪轂應力之間高精度的回歸模型，為輪轂的強度分析提供代理模型支撐。
輪轂強度分析建模試驗1
1. 數據集介紹：根據客戶提供的計算程序，結合AIPOD中的智能采樣功能生成輪轂強度數據集。數據集的3維輸入表示輪轂上的三個扭矩，5維輸出表示五個節點的應力。目標是得到輸入輸出變量之間的映射關系；
2.
展開 【新聞】DTEmpower核心功能技術揭秘(5) - AIAgent模塊
風力機輪轂強度回歸分析
① 數據集背景介紹：輪轂是風力發電機組中的關鍵零部件，在運行過程中可能會承受多種極端載荷的疊加作用，造成輪轂結構的破壞。因此需要對輪轂在不同載荷下的應力情況進行分析，并采用數據訓練的手段建立載荷與輪轂應力之間的代理模型，進行快速評估。
模型所采用的數據集中含有3個輸入變量和5個輸出變量，共193個樣本：輸入變量為一組輪轂上三個扭矩，輸出變量為五個節點的應力。
② 建模和實驗方法：采用圖2所示的建模方法，對輸入和輸出之間的映射關系進行回歸分析建模。該方法采用了Random Forest隨機森林、GBDT（Gradient Boosting Decision Tree）梯度提升樹、多項式擬合和AIAgent訓練算法進行回歸分析建模。然后對比不同模型的R2和NRMSE指標。
圖2 針對風力機輪轂強度數據集，在DTEmpower軟件平臺上搭建回歸分析的建模方案。DTEmpower提供了一站式的數據建模解決方案，通過簡單的節點拖拽即可搭建完整的建模流程。其中AIAgent具有非常簡單的節點配置屬性，用戶僅通過“超參優化”、“小數據集優化”和“交叉驗證”三個開關的搭配使用即可得到“最優”模型
③ 實驗結果：圖3所示的實驗結果表明，在風力機輪轂強度數據集上，AIAgent算法在5個輸出變量上的性能指標均優于其他3種常見算法。
圖3-1 采用4種不同的算法對5個輸出變量進行回歸分析，比較其R2精度指標可以發現藍色柱子所示的基于AIAgent算法的模型在5個輸出變量上的R2指標均在0.99以上，甚至非常逼近于1。而相較于其他3種算法的R2值均在0.99以下，AIAgent算法具有非常明顯的優勢。
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工業設計場景案例：
船體型線智能設計、
風力機輪轂強度快速分析、
玻璃模具快速設計等。工業運維場景案例：
水處理系統參數預測、
鍋爐脫硝系統優化控制、
電機繞組溫度預警等工程問題
。
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FENSAP-ICE應用實例--多因素影響下的風力機結冰模擬 ￥69.9
導讀：
風能具有可再生、無污染而且儲量大的優勢，采用風力發電機將風能轉化成電能是現在綠色能源的重要來源之一。為了提高風力機的裝機容量，在寒冷地區(高山)安裝風力機的情況越來越多，主要原因是寒冷地區的空氣密度更高，大溫差形成的風更強，有利于風能的利用。風力機葉片表面的形狀對風能的利用效率影響很大，在高緯度或高海拔地區的冬季，空氣中的過冷水滴碰到運行的風力機葉片會引起葉片表面結冰，對風力機運轉的安全性和經濟性造成嚴重的影響。
人工為風電葉片除冰
葉片大量覆冰會造成風力機功率損失、機械故障、墜冰引發的安全隱患等問題：改變葉片的氣動性能，造成葉輪氣動、質量不平衡；升力系數下降和風能利用率降低，造成發電量的損失；阻力系數增加，導致傳動鏈軸向載荷過大；葉片質量增加，輪轂轉矩增大，影響葉根處疲勞壽命；葉片旋轉過程中容易出現冰塊脫落，發生墜落傷害等事故。
鑒于以上葉片結冰的巨大危害，所以本文通過仿真方法確定多個因素對結冰的影響，盡可能優化設計以減少結冰情況的發生。另外，通過仿真方法分析結冰厚度、結冰位置，為后續除冰提供指導依據。
1 仿真前處理
1.1 幾何模型處理
在進行數值計算之前，往往需要將數模進一步的處理，以方便而準確地得到數值解。這部分數模處理工作使用ANSYS SCDM中的建模工具完成。
風力發電葉片計算域數模
建立的數模為典型的方型遠場。
1.2 網格劃分和邊界條件
網格生成是采用計算流體力學方法對流場進行數值模擬的基礎，常用的網格分為結構網格和非結構網格兩大類。本文工作要借助通用的網格生成軟件FLUENT MESHING生成計算區域內的網格。該類型的網格尺度容易控制，對復雜外形和不規則壁面邊界的適應性強，有助于后續的流場計算結果的收斂性。
劃分網格需建立相應的遠場邊界面、地面以及葉片表面分區。
展開 
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展開 Workbench fluent風力發電機組葉片流場及溫度場仿真，附詳解視頻及原模型 ￥96
本文檔提供基于ANSYS的風力發電機組溫度場仿真全流程指南，涵蓋幾何處理、網格劃分、求解設置及后處理等核心環節，結合實用技巧與問題解決方案，助力用戶高效完成熱場分析，支撐機組熱管理設計與性能優化。
請使用全英文路徑完成整個流程。
1. 幾何建模與處理
1.1 幾何導入與預處理
啟動SpaceClaim模塊
在ANSYS Workbench中創建新項目，拖拽 “fluid flow(fluent)”模塊至項目流程圖。右鍵選擇“edit Geometry in SpaceClaim ”進入幾何建模界面。
通過菜單欄“File”→“Import”導入風機模型（支持格式：STEP、IGES、Parasolid等），直接拖拽模型到窗口也行。若模型包含多余部件（如螺栓、支架），需手動刪除以簡化計算。
幾何切割與旋轉操作。平面切割：選擇選項卡中的切割工具，以塔筒底部或葉片根部為參考平面進行切割，斷開幾何體的連接。此步驟確保后續旋轉操作僅作用于葉片部分。通過“Move”工具中的“Rotate”功能調整葉片至停機狀態（一個葉片朝下）。該軟件需要單獨學習操作的，可以關注作者的其他課程。
合并幾何體：使用“Combine”功能將旋轉后的葉片與塔筒合并為單一部件，避免后續分析中出現接觸面不連續問題。使用“Repair”工具修復模型中的微小縫隙或重疊面，確保幾何封閉性。對于復雜曲面（如葉片翼型），可通過“Simplify”功能減少局部細節，提升網格生成效率。
1.2 流體域抽取
創建外部流體域：在SpaceClaim中，選擇“準備”選項卡，使用“外殼”工具沿風機周圍生成長方體流體域，可以鍵盤上直接輸入數值。建議尺寸為風機幾何的20-30倍。
展開 垂直軸風力機數值仿真——網格篇 ￥1.2
本案例將通過SpaceClaim采用Python腳本定義邊界條件，并通過ICEM劃分網格，介紹網格劃分過程。
1. SpaceClaim定義邊界條件
讀取
上一篇
的幾何文件繼續處理即可，主要是對選定的面來定義邊界。
# 打開文件
DocumentOpen.Execute(linux_path+"/wt.scdoc")
# EndBlock
# 創建指定的選項組
primarySelection = Selection.Create(GetRootPart().Bodies[1].Faces[0])
secondarySelection = Selection.Empty()
result = NamedSelection.Create(primarySelection, secondarySelection)
# EndBlock
# 重命名指定的選項
result = NamedSelection.Rename("組1", "interface_out")
# EndBlock
2.ICEM劃分網格
這里采用ICEM對仿真模型劃分六面體網格，這里提一下為什么劃分六面體網格，主要是模型其實是二維拉伸的，所以只需要劃分一層網格就能滿足計算要求，在很大程度上能很好的控制網格數量。嘗試采用mesh或者fluent meshing 劃分網格無法實現。感興趣的可以自行嘗試。
1）讀取幾何模型
讀入幾何模型時需要可以這樣設置，勾選“Import Solid Bodies”,導入實體幾何即可，不需要創建材料（這里其實是指體的概念）；勾選“Named Selection Processing”可以將定義好的邊界完整導入。這樣導入可以保證幾何完整，邊界完整
展開 垂直風力機仿真分析APP
<p>垂直風力機仿真分析APP封裝了計算域網格疏密參數、吹風條件參數、葉輪旋轉參數以及計算控制參數等，可快速計算風力狀況及電機轉速等改變的情況下對葉輪氣動壓力及旋轉區域附近流場分布的影響。垂直風力機仿真分析APP可查看速度、壓力等工程所需的計算結果。</p><p><span style="background-color: transparent;"><img src="https://pic1.zhimg.com/80/v2-982347cecb9580b2b5428bb9bd052778_1440w.webp" height="537" width="574"></span></p><p>近年來，隨著可再生能源的不斷發展和應用，風力發電成為了備受矚目的一種綠色能源。而垂直風力機，作為一種新型的風力發電裝置，也逐漸引起了人們的關注。然而，在垂直風力機的設計和優化中，如何準確地預測和分析其氣動性能一直是一個難題。而垂直風力機仿真分析APP的出現，為解決這個問題提供了一種有效的途徑。</p><p><span style="background-color: transparent;"><img src="https://pic2.zhimg.com/80/v2-2d789a596478514c648bc6cfc86e1fdd_1440w.webp" height="740" width="1341"></span></p><p>垂直風力機仿真分析APP的主要功能是對垂直風力機的氣動特性進行分析和計算。通過封裝計算域網格疏密參數、吹風條件參數、葉輪旋轉參數以及計算控制參數等，該APP可以快速計算風力狀況及電機轉速等改變的情況下對葉輪氣動壓力及旋轉區域附近流場分布的影響。同時，該APP還可以查看速度、壓力等工程所需的計算結果。
展開 風力發電機的模態分析
本案例用SIMSOLID對風力發電機進行了快速的模態分析。
模型如下圖所示，底部固支：
在analysi下拉選項中選擇Modal進行模態分析，如下圖所示：
設定分析的模態數量為10，計算所得前10階固有頻率如下圖所示：
其中前三階模態如下：
一階模態
二階模態
三階模態
通過SIMSOLID，可以方便的播放模態動畫。
展開 
系泊失效后漂浮式風力機平臺動態響應研究
摘 要：深海漂浮式風力機平臺穩定性是保證系統安全運行的基礎，其系泊在風、浪及海流等動態載荷周期性作用下引發蠕變后會加速腐蝕，從而導致系泊失效。為了研究系泊失效后風力機所受載荷對平臺動態響應的影響，參考Barge平臺的NREL 5 MW風力機建立了漂浮式風力機整機模型，通過對AQWA的二次開發實現了與FAST間的實時數據交換，開展了漂浮式風力機的風波耦合數值仿真。結論表明：系泊失效后漂浮式風力機平臺響應增大、風力機的結構安全性降低。其中，迎風側系泊失效對平臺影響最為明顯，尤其是橫蕩和艏搖方向受到的影響更大，失效后的最大響應幅值分別為失效前的6.3倍和9.7倍。
關鍵詞：漂浮式風力機;系泊;失效;動態響應;
0 引言
漂浮式風力機因其基礎為浮式平臺，在受風浪載荷長期持續的作用下，會發生慢漂、低頻及波頻等響應，直接威脅漂浮式風力機結構安全及運行穩定性[1]。因此，需對漂浮式風力機的平臺附著系泊，通過將其鏈接至海底，為平臺提供定位與回復力，以保證漂浮式風力機正常工作[2]。但隨著運行時間增加，系泊隨平臺運動時存在與海底間摩擦、海水腐蝕和海洋微生物等作用，系泊使用壽命將大幅衰減[3]。此外，沿海地區為極端臺風高發區，系泊極易因受力劇增而發生失效，從而導致平臺動態響應急劇增大，極端條件下甚至可能發生整機傾覆等嚴重事故，直接威脅漂浮式風力機的安全[4]。因此，有必要對系泊失效下漂浮式的風力機的動態響應進行分析。
隨著各種漂浮式風力機平臺的提出與應用，已有較多學者就其應用范圍、參數、張力特性及組合系泊等方面展開了研究。孫金偉等[5]討論了不同系泊模式，即分組式系泊與分布式系泊對半潛式平臺動態響應的影響，并就兩種系泊模式中單根系泊失效下對平臺的影響進行了對比。
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怎么用workbench做風力發電機的耦合 風機葉片要考慮動量理論
NREL VI 期風力渦輪機 CFD 分析和驗證 ￥8
在 Spaceclaim （SC） 中創建內部和外部域
將 SW 格式的 NREL VI 期風力渦輪機 CAD 模型導入 SC
將風力渦輪機底座的原點設置為 0,0， 0.508，而 0.508 是風力渦輪機葉片的徑向坐標。
為風力渦輪機葉片提供 3 度的全局俯仰角（葉片尖端角度）。
使用帶有模式選項的移動命令從一個刀片創建兩個刀片。
為輪轂創建草圖，并使用拉動命令為輪轂制作 3D 實體，半徑略高于 0.508 m（帶支撐的風力渦輪機葉片的終點）
使用組合選項連接兩個葉片和輪轂，形成單個實心風力渦輪機模型。
創建內部域并從中減去 wind turbine solid，以便只有流體區，其中流動可以流過風力渦輪機外表面。
此外，如課程視頻中所示，創建具有給定維度的外部域，并從中減去內部域。
作為一項可選練習，我們將制作半周期模型（180 度），它可以為您提供與完整 360 度模型相同的結果，并且需要一半的計算資源。但我們不會繼續使用此模型，我們將在接下來的部分中使用完整的 360 度模型。
在 ICEMCFD 中為內部域創建四棱柱網格
將內部域 SC 文件 （scdoc） 導入 Fluent
為模型設置地形公差和 tri 公差。并運行 build topology。
根據要求在不同表面上設置尺寸
設置全局網格大小
使用 Octree 算法創建網格并刪除體積網格。光滑的表面嚙合達到所需的質量。
在風力渦輪機葉片后面的尾流區域中創建用于網格細化的密度框。
使用 Delaunay 算法創建體積網格。
展開 