搜索风力发电机桨毂结构的建模和网格划分
2013-06-05 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
本文介绍了使用ANSYS软件建立风力发电机桨毂结构的有限元分析模型和网格的方法。
徐鹤山 来源:e-works
关键字:风力发电机 结构分析 网格划分
前言:
采用有限元法进行结构分析,建立结构的计算模型是结构分析的重要环节之一。对于风电机而言,最难建立的计算模型是叶片和桨毂。本文着重介绍桨毂的建模和分网。
使用ANSYS软件(程序)进行结构分析,本人建议尽量用ANSYS程序建模,而尽量不采用其他CAD软件建模后再导入ANSYS程序作结构分析的作法。理由如下:
1.一般而言,工程中作结构设计和结构分析是不追求理论解的,即不求绝对真实的,而是要求满足公差即可。在结构分析中如果对结构不作简化,求绝对真实,是要花费代价的,甚至行不通。
2.采用有限元进行结构分析,一般都要求对结构进行简化。如果用其他CAD软件建模,再导入ANSYS程序的作法,必须在导入以前或导入以后对结构进行简化和处理(删除无关紧要的圆角、倒角和小孔等)。这种简化和处理过程花费的代价,还不如直接使用ANSYS程序建模核算。
3.有限元数值分析结果通常都是近似解,尽管模型再真实,网格再细,也得不到理论解。
4.ANSYS程序的前、后处理器是很好用的,特别是它的布尔运算功能和工作平面的应用是一般CAD软件不能比的。可以说,笔者还没有遇到过不能建立的计算模型。
一、桨毂结构原始数据(为设定数据,如果需要可按比例设计)
桨毂结构分析是风力发电机结构分析解决方案之一。桨毂结构是风电机结构(图1)的重要组成部分。桨毂结构(见图2),通常由与叶片连接的轮辐段(上、左、右)、与主轴连接段(前)和与顶盖连接段(后)组成。由于桨毂结构及其承受的载荷循环对称,结构分析时,取整个桨毂结构的1/3部分作为计算模型,见图3。
图1风力发电机结构图
图中代码说明:1、2—为整流罩(其中有Hub Controller 、Pitch Cylinders)
3—为桨毂(Blade Hub)4—为主轴(Main Shaft)
图2桨毂结构模型图3桨毂结构计算模型(1/3部分)
1.几何数据(单位:mm)
(1)空心球桨毂数据:外圆R1=300内圆R2=270
(2)圆管轮辐数据:管外R1=200管内R2=170法兰边R3=240
(3)图2前面连接段数据:管外R1=100管内R2=70
(4)图2后面连接段数据:管外R1=200管内R2=170
(5)坐标数据: XYZ
1000(桨毂中心)
222000(第一圆柱起点)
332000(第一圆柱终点)
430000(轮辐法兰起点)
500-305 (第二圆柱起点)
600-220 (第二圆柱终点)
700220 (第三圆柱起点)
800250 (第三圆柱截取位置)
900305 (第三圆柱终点)
2.材料数据
弹性模量E=2.1e5 (N/mm2)泊松比μ=0.3材料密度ρ=7.85e-9(t/mm3)
3.单元类型
20node95体单元
二、桨毂、轮辐建模过程
1.生成第一圆柱体(R1=200起点:X=220Y=0Z=0终点:X=320Y=0Z=0)
(1)设置、显示、移动、旋转(90°)工作平面,使工作平面与所在轴线垂直。
设置菜单路径:【Utility Menu】→【Workplane】→【WP Settings】
激活“⊙Grid and Trid”,设置栅格间距“Spacing=10”和范围“Minmum=-100”“Maxmum=100”。
显示菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Display Working Plane】
激活“Display Working Plane”。
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=220Y=0Z=0”移动工作平面。
旋转菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
用90°角度,绕坐标轴旋转,使工作平面与X轴线垂直。
(2)生成直线(X1=220X2=320)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(3)生成实心圆面(WP X=0WPY=0R=200)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)将实心圆面沿所生成的直线拉成圆柱
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
2.生成第二圆柱体
(1)移动、旋转(90°)工作平面,使工作平面与所在轴线垂直。
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=-305”移动工作平面。
旋转菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
用90°角度,绕坐标轴旋转,使工作平面与Z轴线垂直。
(2)生成直线(Z1=-305Z2=-220)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(3)生成实心圆面(WP X=0WPY=0R=100)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)将实心圆面沿所生成的直线拉成圆柱
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
3.生成第三圆柱体
(1)移动工作平面
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=220”移动工作平面。
(2)生成直线(Z1=220Z2=305)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(3)生成实心圆面(WP X=0WPY=0R=200)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)将实心圆面沿所生成的直线拉成圆柱
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
4.生成实心球体
(1)移动工作平面
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=0”移动工作平面。
(2)生成实心球体(WP X=0WP Y=0WP Z=0R=270)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Volumes】→【Sphere】→【Solid Sphere】
5.从三个圆柱体减去实心球体
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】
先拾取被减三个圆柱体,后拾取实心球体。
6.生成空心球体(WP X=0WP Y=0WP Z=0R1=300R2=270)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Volumes】→【Sphere】→【Hollow Sphere】
7.空心球体与三个圆柱体相加形成部分桨毂外形
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Add】→【Volumes】
8.生成三个较小圆柱体(菜单路径和操作同前)
(1)第一圆柱体
R1=170起点:X=220Y=0Z=0终点:X=320Y=0Z=0
(2)第二圆柱体
R2=70起点:X=0Y=0Z=-305终点:X=0Y=0Z=-220
(3)第三圆柱体
R3=170起点:X=0Y=0Z=220终点:X=0Y=0Z=305
9.从部分桨毂外形中减去三个较小圆柱体(拾取被减体一个,减体三个)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】
10.截取第三空心圆柱体
(1)移动工作平面
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=250”移动工作平面。
(2)用工作平面分第三空心圆柱体
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Divide】→【Volu By Wrkplane】
(3)删除部分空心圆柱体
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Volume and Below】
11.生成轮辐法兰
(1)移动、旋转(90°)工作平面,使工作平面与所在轴线垂直。
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=300Y=0Z=0”移动工作平面。
旋转菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
用90°角度,绕坐标轴旋转,使工作平面与X轴线垂直。
(2)删除直线(X1=220X2=320)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Lines Only】
(3)生成直线(X1=300X2=320)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Lines】→【Lines】→【Straight Line】
(4)生成空心圆面(WP X=0WP Y=0R1=240R2=200)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Annulus】
(5)将空心圆面沿所生成的直线拉成轮辐法兰
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
12.轮辐法兰与轮辐相加
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Booleans】→【Add】→【Volumes】
13. 生成轮辐法兰上的销钉孔
(1)移动工作平面
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=300Y=220Z=0”移动工作平面。
(2)生成直线(X1=300X2=320)
(3)生成实心圆面(WP X=0WPY=0R=6)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Create】→【Areas】→【Circle】→【Solid Circle】
(4)将实心圆面沿所生成的直线拉成一个小圆柱
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Extrude】→【Areas】→【Along Lines】
(5)移动工作平面
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】→【XYZ Location】
用“X=0Y=0Z=0”移动工作平面。
(6)生成局部圆柱坐标系
菜单路径:【Utility Menu】→【Workplane】→【Local Coordinate Systems】→【Create Local CS】→【At WP Origin…】
在“KCN”中设置“11”,在“KCS”中选择“Cylindrical 1”。
(7)移动(X=320 Y=0Z=0)、转动工作平面,使局部圆柱坐标系Z轴与总体坐标系X轴重合。
(8)复制30个小圆柱(ITIME=30,DY=12 角度)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Volumes】
(9)从轮辐法兰上减去全部小圆柱形成销钉孔
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Subtract】→【Volumes】
(10)将工作平面坐标系改为笛卡尔坐标系
菜单路径:【Utility Menu】→【Workplane】→【Local Coordinate Systems】→【Create Local CS】→【At WP Origin…】
在“KCN”中设置“11”,在“KCS”中选择“Cartesian 0”。
注:桨毂结构分析通常不考虑轮辐法兰上的销钉孔,因此第13步可以省略。
14.分部分桨毂为三等份(120°范围)
移动菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP to】
移动工作平面(0,0,0)
旋转菜单路径: 【Utility Menu】→【Workplane】→【Offset WP By Increments】
转动工作平面与轮辐轴线成60°,转动两次。
将部分桨毂分为三份菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Divide】→【Volu By Wrkplane】
15.删除其中两份,保留包括轮辐的一份,并储存1/3桨毂计算模型文件(JGu2)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Delete】→【Volume and Below】
16.激活总体圆柱坐标系
菜单路径:【Utility Menu】→【Workplane】→【Change Active CS to】→【Global Cylondrical】
17.将1/3桨毂复制成整个桨毂(ITIME=3,DY=120 角度)
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Copy】→【Volumes】
18.三部分桨毂相加形成整个桨毂
菜单路径:【Preprocessor】→【Modeling】→【Operate】→【Add】→【Volumes】
19.激活总体笛卡儿坐标系
菜单路径:【Utility Menu】→【Workplane】→【Change Active CS to】→【Global Cartesian】
20.储存桨毂模型文件(JGu1)
三、桨毂、轮辐的网格划分
(1)启动1/3桨毂、轮辐计算模型文件(JGu2)
(2)将1/3桨毂、轮辐计算模型赋置属性
菜单路径:【Preprocessor】→【Meshing】→【Meshing Attribute】→【Picked Volumes】
(3)采用自由网格划分法对桨毂和轮辐划分
菜单路径:【Preprocessor】→【Meshing】→【MeshTool】
执行菜单路径命令弹出网格划分工具,在“Size Controls:”、“Global”中单击[Set]按钮,弹出对话框后,在“SIZE”中设置“20”,单击[OK]按钮。然后进行自由网格划分。
图3在“SIZE”中设置“10”的网格图4在“SIZE”中设置“20”的网格
注:图3、图4分网没考虑销钉孔,计算时建议采用图4的网格。
如果网格太多,计算机的容量不够,还可以采用子模型分网和计算。即先划分区域用粗网格分网、计算,再取重要的局部区域进行细网格计算。
四、结论
本文详细地给出了风力发电机桨毂、轮辐结构的建模过程和ANSYS程序的具体菜单路径。这些建模过程和菜单路径,对于采用实体单元建模是非常有用的。
按着ANSYS程序的分析步骤,计算模型建好以后,接下来就是指定分析类型、设置分析选项、施加边界条件和载荷、进行计算。由于本文着重介绍建模过程,因此,下面的步骤在此省略。
读者如果有载荷,可施加边界条件继续作下去。但作为工程分析,其载荷必须由叶片计算后得到,假设的载荷只能作调试用。得到结果后可利用循环对称关系,进一步得到整个桨毂的计算结果数据。
参考文献
[1] ANSYS 结构分析指南, 建模与分网手册,WWW.ANSYS.COM.CN
[2] 徐鹤山编著,ANSYS程序在建筑工程中的应用,机械工业出版社2005.8
[3] 徐鹤山编著,建筑钢结构工程实例分析,机械工业出版社2007.8
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