大尺寸风电叶片极端工况｜风机载荷仿真瞄定“快准狠”（上）
本文摘要：（由ai生成）
随着风电大型化，动力学问题凸显。达索系统的Simpack和Abaqus联合提供非线性叶片建模方法，显著提升了计算效率和仿真精度。非线性模型在叶尖位移和叶根扭矩上分别增大了20%和25%，更准确模拟风载。该解决方案减少建模和计算成本，有效应对大尺寸叶片极端载荷仿真挑战，在国内外风机主机厂得到深入应用。
机组越“大”，梦想越大，挑战越大
风能作为可再生能源的主力，越来越成为能源市场中成本最低的技术选择之一。据国际能源署（IEA）数据统计，风力发电是除水力发电外发电量最大的可再生能源发电方式。自中国宣布“双碳”计划以来，风电行业迎来爆发式增长，当前我国风电新增装机量位列全球首位。
面对有限的土地资源，如何实现效益最大化？答案正蕴含在问题之中——“大”。为了降低风电的平准化度电成本，节省风电项目土地资源，风电大型化趋势正在加速。国内主流风电整机厂商纷纷发布最新海陆机型——
15MW陆上风电机组刷新全球陆上风机容量最高纪录
22MW海上风电机组刷新全球海上风机容量最高纪录
随着风电机组的大型化，风机叶片尺寸也不断增大，最新三一重能在内蒙古自治区巴彦淖尔下线的叶片达到131米
风电机组发展趋势
将风电机组与风机叶片“变大”，不只是简单地将尺寸放大，两个棘手的问题随之浮出水面：
风机系统动力学问题：不断增大的风电机组及风机叶片带来了全新的风机系统动力学问题，采用传统的线性叶片模型来模拟风机叶片的建模方法已经完全不能满足当前大尺寸叶片模型的动力学建模要求，国内某风机主机厂叶片计算中，长度110米的复材叶片，叶尖最大变形超过了35米，非线性特征非常明显，因此整个风机行业迫切需要建立精确的整机动力学模型对大型风机系统进行动态性能评估。
叶片的非线性特性：风电行业通常使用Simpack软件进行多体动力学建模和仿真。Simpack不仅用于载荷分析、传动链分析、极端工况仿真等，还可用于关键参数优化、动应力及疲劳分析等。由于叶片的刚度和质量分布在长度方向上极其不均匀，叶片具有典型的非线性特性。尤其随着叶片长度的增加，非线性特性愈发明显。为了仿真和评估大尺寸风机的动态特性，建立的整机仿真模型必须考虑叶片的非线性特性。
风机系统载荷计算：
Abaqus 联合Simpack
“快准狠”正中靶心
达索系统先进的多体动力学分析工具Simpack作为风电行业标准的风机多体建模工具，在国内外的各个风机主机厂如维斯塔斯，GE，金风，远景等都得到广泛的应用，如何让仿真更深入细致，更接近真实世界场景，比如考虑结构非线性大变形的多体动力学问题，达索系统给出了完美的答案。
在Simpack中，建立非线性叶片有两种方法，即非线性离散梁方法和Abaqus非线性缩减方法。传统的非线性离散梁方法基于节点方法，自由度数量多，求解速度慢，很难满足现代风电企业快速研发的要求。但是为了加快仿真效率，有些企业明明知道非线性梁结果更准确，却使用线性梁代替非线性梁建立叶片模型，这样降低了仿真的准确性。
Simpack中非线性叶片两种建模方法
为了解决这个问题，Simpack新开发了Abaqus的非线性接口。基于达索系统的结构非线性分析工具Abaqus，模拟大尺寸叶片在极端风载下的大变形，软件对叶片模型进行非线性缩减，保留了叶片部件的几何非线性特性，然后导入到Simpack中。由于非线性缩减后叶片部件的自由度大大减少，在Simpack中的计算效率会显著提升。
基于Simpack和Abaqus非线性叶片仿真流程
基于Abaqus的非线性缩减柔性体方法不可不谓“快准狠”：
仿真速度快，所有计算都在缩减空间内进行；而且建模方便，非线性柔性体生成类似线性柔性体生成流程
结果准确，精确地复现了非线性静态预分析的变形，同时具有高精度的光滑插值/外推算法用于动态系统计算
扩展性强，部件可以在刚体、线性柔性体和非线性柔性体之间切换
非线性叶片性能验证
Abaqus联合Simpack实操：
整机载荷计算中大展身手
基于Abaqus的非线性缩减柔性体方法在实际应用中也大大发挥了其“快准狠”特质。对某一型号的风电机组，通过Abaqus生成非线性叶片，并导入Simpack中建立风电整机模型，进行载荷计算，并与线性叶片整机模型的结果进行对比。
Simpack风机载荷计算
设置一个400s的载荷计算工况，其中30s时设有极端阵风工况，350s时设有紧急停机工况。对这一极端工况进行仿真分析，并对比结果的差异。
仿真结果的曲线表明，相比线性叶片模型的结果，非线性叶片模型的叶尖x向位移的数据增大了20%（1.3m），叶根扭矩的数据增大了25%（2MNm）。采用非线性叶片模型更准确地模拟了风机系统的风载，提供更准确的风载动力学结果。
线性和非线性叶片仿真结果对比
达索系统深耕多年，始终紧跟行业风向，持续输出卓越方案。针对风机大型化带来的大尺寸叶片的应用趋势，达索系统推出了基于Abaqus和Simpack的联合解决方案破局仿真瓶颈。利用Abaqus强大的非线性功能，提高了模型的精度和结果的准确性，减少了建模工作量，更大大降低了计算成本，实现了大型风机大尺寸叶片极端载荷仿真“快准狠”，解决了行业面临的仿真挑战，并正在国内外的大型头部风机主机厂中进行深入应用。
达索系统大型风机大尺寸叶片极端载荷仿真方案
来源：达索系统
