风电行业设计仿真进阶8讲：基于STAR-CCM 与Abaqus耦合风力发电机仿真全攻略

本课适合哪些人学习：

1、学习仿真工程师；

2、STAR-CCM 软件和Abaqus的学习者和使用者；

3、学习风机发电机仿真的工程师；

4、流体结构耦合仿真的工程师

你会得到什么：

1、掌握STAR-CCM 软件界面、计算流程；

2、掌握Abaqus软件界面、计算流程；

3、掌握风机仿真的两种方法；

4、掌握风机被动旋转计算方法；

5、掌握风机的模态分析；

6、掌握风机的流固耦合颤振计算；

7、掌握STAR-CCM 与Abaqus的耦合仿真。

课程介绍：

STAR-CCM 风力发电机仿真详解，内容涵盖：稳态瞬态计算方法、被动旋转、模态分析、流固耦合颤振、浮动式风机在水中的运动、STAR-CCM 与Abaqus的耦合仿真计算船舶与浮动式风机的碰撞。

一、风力发电机

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。 

风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。

二、风力发电机的仿真方法

稳态计算方法：采用移动参考系方法，风机不转、参考系旋转。

瞬态计算方法：刚体运动方法，风机被建模为刚体，通过滑移网格进行风机的旋转。

三、风力发电机被动旋转

计算方法：

1、STAR-CCM  中的动态流体相互作用 (DFBI) 用于使用定义的机械和多物理场相互作用（流、DEM、固体应力、EMAG）生成的位移和旋转来模拟 6 自由度体的运动。 

2、在每个时间步中，STAR-CCM  将在刚体上施加合力与力矩，并求解运动的控制方程以查找刚体的新位置和方向。

四、风力发电机模态分析

1、在固体力学中，固体结构的正则模态描述结构在其固有（或共振）频率下的自由振动运动。结构振动的自由模态控制其对外部力的动态响应，并影响其应力特性。 

2、每个振动模态以固定频率发生，并且与其他模态无关。结构的固有频率取决于其材料属性和几何特征。

3、正则模态分析可用于确定固体应力模拟中足够的时间步。在时间相关的模拟中，时间步必须足够小才能捕捉结构的最高振动模态。正则模态分析对于为受振动影响的结构（如悬索桥和机翼）的动态响应进行建模至关重要。 

4、在 STAR-CCM  中，固体应力正则模态模型用于计算采用线性或非线性设置（包括非线性几何和非线性材料定律）的模拟中固体结构的正则模态。

五、风力发电机流固耦合颤振计算

颤振：弹性结构在均匀气流中由于受到气动力（见空气动力）、弹性力和惯性力（见达朗伯原理）的耦合作用而发生的振幅不衰减的自激振动。

1、发生颤振的必要条件是：结构上的瞬时气动力与弹性位移之间有位相差，因而使振动的结构有可能从气流中吸取能量而扩大振幅。

2、弯曲位移 （即挠度）和气动力同位相的情况，气动力在一个周期内对机翼作的正功和负功相互抵消；气动力落后于弯曲位移π/2时，由于气动力总作正功，机翼不断从气流中吸取能量。除了能量输入外，还必须有一定的相对气流速度才能发生颤振。在速度较低的情况下，结构所吸取的能量会被阻尼消耗而不发生颤振，只有在速度超过某一值时，才会发生颤振。若吸取的能量正好等于消耗的能量，则结构维持等幅振动，与此状态对应的速度称为颤振临界速度v（简称颤振速度）。当气流速度跨越颤振速度时，振动开始发散。

3、计算方法

（1）直接双向流固耦合瞬态仿真：通过监测位移与时间的关系，通过振动曲线可以发现变形随着时间增加是趋于稳定值还是变形随着时间增加而增加即发生颤振。

（2）能量法：以能量交换的观点来分析颤振，一个振动周期内，非定常气动力对振动系统所做的功为正时，表明系统从气流中吸收能量，振动发散；反之，如果流场对系统做负功，相当于阻尼的作用，使振动耗散。

六、浮动式风力发电机在水中的运动仿真

重叠网格方法对风机进行建模，采用动态流体相互作用的六自由度法结合缆绳工具对风机施加载荷

七、STAR-CCM 与Abaqus耦合仿真-船舶与浮动式风力发电机的碰撞仿真

1、使用 STAR-CCM  和 Abaqus 运行协同仿真涉及两个代码之间的强耦合。数据以频密间隔（称为耦合步）进行交换;利用求解器之间的通信，可以获得整个流体/固体交界面的完全求解。 

2、STAR-CCM  将拉力负载传递给 Abaqus（压力   壁面剪应力），而 Abaqus 将位移传递给 STAR-CCM 。在 Abaqus 中，拉力负载作用于固体结构的表面。STAR-CCM  中，位移作为网格变形器输入使用。

3、在协同仿真中，通过使用 SIMULIA 协同仿真引擎STAR-CCM  和 Abaqus 之间自动交换数据。这种方法不同于基于文件的方法，这是因为两种代码之间的耦合相当强烈，而且STAR-CCM  和 Abaqus 同时运行。 

4、要创建协同仿真案例，必须分别为流体和固体域准备单独的模型。在 Abaqus 创建固体模型，并在 Abaqus 输入文件中定义。在STAR-CCM  模拟中创建流体模型，并且在该模拟中定义适当的边界条件和物理属性。对于每个模型，必须指定一组协同仿真参数。这些参数确定构成流体结构交界面的边界/表面、由交界面导入/导出的场数据、耦合步骤的频率等。当设置完成后，使用 STAR-CCM  来运行协同仿真。

5、在运行协同仿真之前，先分别运行流体模型和固定模型的单独案例以便确定这些模型各自收敛。

Abaqus仿真

STAR-CCM 仿真

STAR-CCM  和 Abaqus 运行协同仿真-强耦合

八、课程安排

第1讲 风力发电机仿真介绍

第2讲 风力发电机的稳态计算方法

第3讲 风力发电机的瞬态计算方法

第4讲 风力发电机被动旋转计算

第5讲 风力发电机模态分析

第6讲 风力发电机流固耦合颤振计算

第7讲 浮动式风力发电机在水中的运动仿真

第8讲 starccm与abaqus耦合仿真-船舶与浮动式风力发电机的碰撞仿真

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