参数化高精度的整机模型对风机设计的意义
5页1、参数化高精度的整机模型对风机设计的意义 张旗利、叶洎沅 比利时 Samtech 公司 1风机设计与制造行业面临的挑战 风能是世界上发展最快的新能源之一,然而其核心行业风机设计与制 造在经过了过去十年的快速发展之后开始面临巨大的挑战。对风机制造厂 商来讲,一方面它们依然需要缩短研发周期以快速推出产品并占领市场;另一方 面中标的上网电价由于竞争显著降低, 从而大幅度压缩了风机厂商的利润空间并 迫使它们设法降低成本;此外,现有风机产品的可靠性也广受发电企业的质疑。 风能行业的另一个重要参与者认证机构也同样面临一个困境。一方面 认证机构希望通过帮助风机厂商发现问题并加以改进, 从而为整个行业创造价值; 而另一方面认证机构也发现现有的认证方式还不足以达到理想的效果,例如,很 多情况下通过认证且被认为具有超过 20 年寿命的风机会在一两年时间内就发生 各种失效, 为此认证机构不得不经常修订认证标准,并要求更高的安全系数及更 多的计算,然而这种方式又导致风机制造商的成本增加和开发周期的延长。 2当前风机设计流程中存在的问题 为了摆脱上述困境, 风机制造厂商和认证机构都开始采用大量的虚拟设计和 仿真技
2、术手段,然而经过多年实践,问题依然存在。一个典型的现象是,许多零 部件例如一个标准的主轴承尽管其在静力和疲劳分析中被认为具有至 少 20 年的寿命,而且其在其他机型上使用状态良好,却在使用一两年后发生失 效。 问题不在于静力和疲劳分析本身,问题在于负责载荷分析和结构设计的部门 在设计流程上发生了脱节,双方在设计时都不得不进行大量的假设,而这些假设 往往是不合适的。 另一种典型的研发流程脱节现象发生在控制程序设计和结构设 计中, 控制程序的设计人员必须假设给定载荷工况下的结构响应是真实的,然而 不幸的是, 结构部门经常采用的刚性结构运动仿真手段并无法给出真实的结构响 应。 风机是承受瞬态空气动力学激励的大型柔性机电系统(包含柔性部件、连接 和控制系统) ,各部件之间相互作用彼此影响,风机设计必须将各个部件和各个 系统之间的各种耦合效应考虑在内。然而,目前市场上主流的设计流程并无法精 确地对这些耦合效应进行评估。 同时要承认的是,所有这些现象或者问题不应该归罪于任何个人或者团队, 在过去几十年中制造企业和认证机构虽然普遍意识到了问题, 但是由于市场上一 直缺乏相应的解决方案,从而也一直也无
3、可奈何。 3参数化高精度整机模型的创新解决方案 综合以上分析, 风机制造厂商和认证机构都迫切需要一个能够充分考虑风机 各个系统之间相互作用的高精度且一体化的仿真设计解决方案。 正是由于这样的 市场需求,比利时 Samtech 公司将其 40 多年的有限元软件开发经验、20 多年 的柔性机械系统仿真经验和10多年的风机设计经验集成在一起, 独创了Samcef for Wind Turbine(S4WT)系统,它定位于风机系统的正向设计解决方案,在风 机系统的整个开发周期中(包括概念设计、 详细设计、 原型或改型机开发、 认证、 故障诊断等)提供一个参数化的高精度仿真模型,从而将原本脱节的设计流程关 联起来。这一创新的设计方法已经在欧洲、韩国等地区获得了许多企业的认可, 例如 Alstom Power,Repower 和 Areva(阿海珐)等知名风机厂商。 图 1 S4WT 参数化高精度整机模型的创新解决方案 4参数化高精度整机模型的核心价值 总体上说,参数化高精度整机模型具备以下两个特点: 一、全耦合的一体化。依靠全耦合一体化的高精度整机模型,风机厂商可以 得到精确的动态载荷和结构响应
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