搜索風力發電機槳轂結構的建模和網格劃分
2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文介紹了使用ANSYS軟件建立風力發電機槳轂結構的有限元分析模型和網格的方法。
徐鶴山 來源:e-works
關鍵字:風力發電機 結構分析 網格劃分
前言:
采用有限元法進行結構分析,建立結構的計算模型是結構分析的重要環節之一。對于風電機而言,最難建立的計算模型是葉片和槳轂。本文著重介紹槳轂的建模和分網。
使用ANSYS軟件(程序)進行結構分析,本人建議盡量用ANSYS程序建模,而盡量不采用其他CAD軟件建模后再導入ANSYS程序作結構分析的作法。理由如下:
1.一般而言,工程中作結構設計和結構分析是不追求理論解的,即不求絕對真實的,而是要求滿足公差即可。在結構分析中如果對結構不作簡化,求絕對真實,是要花費代價的,甚至行不通。
2.采用有限元進行結構分析,一般都要求對結構進行簡化。如果用其他CAD軟件建模,再導入ANSYS程序的作法,必須在導入以前或導入以后對結構進行簡化和處理(刪除無關緊要的圓角、倒角和小孔等)。這種簡化和處理過程花費的代價,還不如直接使用ANSYS程序建模核算。
3.有限元數值分析結果通常都是近似解,盡管模型再真實,網格再細,也得不到理論解。
4.ANSYS程序的前、后處理器是很好用的,特別是它的布爾運算功能和工作平面的應用是一般CAD軟件不能比的。可以說,筆者還沒有遇到過不能建立的計算模型。
一、槳轂結構原始數據(為設定數據,如果需要可按比例設計)
槳轂結構分析是風力發電機結構分析解決方案之一。槳轂結構是風電機結構(圖1)的重要組成部分。槳轂結構(見圖2),通常由與葉片連接的輪輻段(上、左、右)、與主軸連接段(前)和與頂蓋連接段(后)組成。由于槳轂結構及其承受的載荷循環對稱,結構分析時,取整個槳轂結構的1/3部分作為計算模型,見圖3。
圖1風力發電機結構圖
圖中代碼說明:1、2—為整流罩(其中有Hub Controller 、Pitch Cylinders)
3—為槳轂(Blade Hub)4—為主軸(Main Shaft)
圖2槳轂結構模型圖3槳轂結構計算模型(1/3部分)
1.幾何數據(單位:mm)
(1)空心球槳轂數據:外圓R1=300內圓R2=270
(2)圓管輪輻數據:管外R1=200管內R2=170法蘭邊R3=240
(3)圖2前面連接段數據:管外R1=100管內R2=70
(4)圖2后面連接段數據:管外R1=200管內R2=170
(5)坐標數據: XYZ
1000(槳轂中心)
222000(第一圓柱起點)
332000(第一圓柱終點)
430000(輪輻法蘭起點)
500-305 (第二圓柱起點)
600-220 (第二圓柱終點)
700220 (第三圓柱起點)
800250 (第三圓柱截取位置)
900305 (第三圓柱終點)
2.材料數據
彈性模量E=2.1e5 (N/mm2)泊松比μ=0.3材料密度ρ=7.85e-9(t/mm3)
3.單元類型
20node95體單元
二、槳轂、輪輻建模過程
1.生成第一圓柱體(R1=200起點:X=220Y=0Z=0終點:X=320Y=0Z=0)
(1)設置、顯示、移動、旋轉(90°)工作平面,使工作平面與所在軸線垂直。
設置菜單路徑:【Utility Menu】→【Workplane】→【WP Settings】
激活“⊙Grid and Trid”,設置柵格間距“Spacing=10”和范圍“Minmum=-100”“Maxmum=100”。
顯示菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Display Working Plane】
激活“Display Working Plane”。
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=220Y=0Z=0”移動工作平面。
旋轉菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
用90°角度,繞坐標軸旋轉,使工作平面與X軸線垂直。
(2)生成直線(X1=220X2=320)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(3)生成實心圓面(WP X=0WPY=0R=200)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)將實心圓面沿所生成的直線拉成圓柱
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
2.生成第二圓柱體
(1)移動、旋轉(90°)工作平面,使工作平面與所在軸線垂直。
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=-305”移動工作平面。
旋轉菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
用90°角度,繞坐標軸旋轉,使工作平面與Z軸線垂直。
(2)生成直線(Z1=-305Z2=-220)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(3)生成實心圓面(WP X=0WPY=0R=100)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)將實心圓面沿所生成的直線拉成圓柱
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
3.生成第三圓柱體
(1)移動工作平面
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=220”移動工作平面。
(2)生成直線(Z1=220Z2=305)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(3)生成實心圓面(WP X=0WPY=0R=200)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)將實心圓面沿所生成的直線拉成圓柱
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
4.生成實心球體
(1)移動工作平面
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=0”移動工作平面。
(2)生成實心球體(WP X=0WP Y=0WP Z=0R=270)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Volumes】→【Sphere】→【Solid Sphere】
5.從三個圓柱體減去實心球體
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】
先拾取被減三個圓柱體,后拾取實心球體。
6.生成空心球體(WP X=0WP Y=0WP Z=0R1=300R2=270)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Volumes】→【Sphere】→【Hollow Sphere】
7.空心球體與三個圓柱體相加形成部分槳轂外形
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Add】→【Volumes】
8.生成三個較小圓柱體(菜單路徑和操作同前)
(1)第一圓柱體
R1=170起點:X=220Y=0Z=0終點:X=320Y=0Z=0
(2)第二圓柱體
R2=70起點:X=0Y=0Z=-305終點:X=0Y=0Z=-220
(3)第三圓柱體
R3=170起點:X=0Y=0Z=220終點:X=0Y=0Z=305
9.從部分槳轂外形中減去三個較小圓柱體(拾取被減體一個,減體三個)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】
10.截取第三空心圓柱體
(1)移動工作平面
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=250”移動工作平面。
(2)用工作平面分第三空心圓柱體
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Divide】→【Volu By Wrkplane】
(3)刪除部分空心圓柱體
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Volume and Below】
11.生成輪輻法蘭
(1)移動、旋轉(90°)工作平面,使工作平面與所在軸線垂直。
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=300Y=0Z=0”移動工作平面。
旋轉菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
用90°角度,繞坐標軸旋轉,使工作平面與X軸線垂直。
(2)刪除直線(X1=220X2=320)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Lines Only】
(3)生成直線(X1=300X2=320)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(4)生成空心圓面(WP X=0WP Y=0R1=240R2=200)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Annulus】
(5)將空心圓面沿所生成的直線拉成輪輻法蘭
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
12.輪輻法蘭與輪輻相加
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Add】→【Volumes】
13. 生成輪輻法蘭上的銷釘孔
(1)移動工作平面
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=300Y=220Z=0”移動工作平面。
(2)生成直線(X1=300X2=320)
(3)生成實心圓面(WP X=0WPY=0R=6)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)將實心圓面沿所生成的直線拉成一個小圓柱
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
(5)移動工作平面
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=0”移動工作平面。
(6)生成局部圓柱坐標系
菜單路徑:【Utility Menu】→【Workplane】→【Local Coordinate Systems】→【Create Local CS】→【At WP Origin…】
在“KCN”中設置“11”,在“KCS”中選擇“Cylindrical 1”。
(7)移動(X=320 Y=0Z=0)、轉動工作平面,使局部圓柱坐標系Z軸與總體坐標系X軸重合。
(8)復制30個小圓柱(ITIME=30,DY=12 角度)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Volumes】
(9)從輪輻法蘭上減去全部小圓柱形成銷釘孔
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】
(10)將工作平面坐標系改為笛卡爾坐標系
菜單路徑:【Utility Menu】→【Workplane】→【Local Coordinate Systems】→【Create Local CS】→【At WP Origin…】
在“KCN”中設置“11”,在“KCS”中選擇“Cartesian 0”。
注:槳轂結構分析通常不考慮輪輻法蘭上的銷釘孔,因此第13步可以省略。
14.分部分槳轂為三等份(120°范圍)
移動菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】
移動工作平面(0,0,0)
旋轉菜單路徑: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
轉動工作平面與輪輻軸線成60°,轉動兩次。
將部分槳轂分為三份菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Divide】→【Volu By Wrkplane】
15.刪除其中兩份,保留包括輪輻的一份,并儲存1/3槳轂計算模型文件(JGu2)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Volume and Below】
16.激活總體圓柱坐標系
菜單路徑:【Utility Menu】→【Workplane】→【Change Active CS to】→【Global Cylondrical】
17.將1/3槳轂復制成整個槳轂(ITIME=3,DY=120 角度)
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Volumes】
18.三部分槳轂相加形成整個槳轂
菜單路徑:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Add】→【Volumes】
19.激活總體笛卡兒坐標系
菜單路徑:【Utility Menu】→【Workplane】→【Change Active CS to】→【Global Cartesian】
20.儲存槳轂模型文件(JGu1)
三、槳轂、輪輻的網格劃分
(1)啟動1/3槳轂、輪輻計算模型文件(JGu2)
(2)將1/3槳轂、輪輻計算模型賦置屬性
菜單路徑:【Preprocessor】→【Meshing】→【Meshing Attribute】→【Picked Volumes】
(3)采用自由網格劃分法對槳轂和輪輻劃分
菜單路徑:【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshTool】
執行菜單路徑命令彈出網格劃分工具,在“Size Controls:”、“Global”中單擊[Set]按鈕,彈出對話框后,在“SIZE”中設置“20”,單擊[OK]按鈕。然后進行自由網格劃分。
圖3在“SIZE”中設置“10”的網格圖4在“SIZE”中設置“20”的網格
注:圖3、圖4分網沒考慮銷釘孔,計算時建議采用圖4的網格。
如果網格太多,計算機的容量不夠,還可以采用子模型分網和計算。即先劃分區域用粗網格分網、計算,再取重要的局部區域進行細網格計算。
四、結論
本文詳細地給出了風力發電機槳轂、輪輻結構的建模過程和ANSYS程序的具體菜單路徑。這些建模過程和菜單路徑,對于采用實體單元建模是非常有用的。
按著ANSYS程序的分析步驟,計算模型建好以后,接下來就是指定分析類型、設置分析選項、施加邊界條件和載荷、進行計算。由于本文著重介紹建模過程,因此,下面的步驟在此省略。
讀者如果有載荷,可施加邊界條件繼續作下去。但作為工程分析,其載荷必須由葉片計算后得到,假設的載荷只能作調試用。得到結果后可利用循環對稱關系,進一步得到整個槳轂的計算結果數據。
參考文獻
[1] ANSYS 結構分析指南, 建模與分網手冊,WWW.ANSYS.COM.CN
[2] 徐鶴山編著,ANSYS程序在建筑工程中的應用,機械工業出版社2005.8
[3] 徐鶴山編著,建筑鋼結構工程實例分析,機械工業出版社2007.8
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